3. Elektrodynamika jako światopogląd
Transkrypt
3. Elektrodynamika jako światopogląd
106 Wielkie spekulacje teorii węzłów”51. Jak wspomniano powyżej, rola atomu wiro wego w XIX stuleciu nie ograniczała się do naukowych zastoso wań, lecz uwzględniała też próby odniesienia jej do duchowych i religijnych wymiarów życia. O dziwo, zastosowania takie jak to zaproponowane w dziele Niewidzialny wszechświat wciąż są obecne, choć głównie w literaturze pseudonaukowej. Z pewnej książki należącej do tego wątpliwego gatunku dowiadujemy się, że: „Koncepcja wirów, z całym swoim ogromnym potencjałem, została odrzucona wraz z dogorywającym modelem kul bilardo wych52. Dziecko zostało jednak wylane z kąpielą. Nadszedł czas, aby ponownie przyjrzeć się teorii wirowej. Obecnie, w świetle wszystkich dokonanych odkiyć, ta zapomniana zasada może do starczyć zupełnie nowej podstawy dla nauki” . Teoria wirowa jest nie tylko „brakującym elementem we współczesnej wizji fizycz nego wszechświata”, ale również „wskazuje na pomost między światem fizycznym i światem niewidzialnym, niefizycznym”53. Stewart i Tait z pewnością cieszyliby się, wiedząc, że ich idee, pomimo upływu ponad stu lat, są nadal żywe. Pominę jednak kwestię, jakiej udzieliliby odpowiedzi na niektóre współczesne odniesienia do ich prac, choćby takie jak Franka Tiplera (zob. rozdział 12). 51 Faddeev i Niemi 1997, s. 58. Innym przykładem współczesnej pracy doty czącej teorii węzłów, która wyraźnie nawiązuje do teorii atomów wirowych, jest w Lomonaco 1995. Również wybitny matematyk Michael Atiyah rozwa żał wirowy początek współczesnej teorii węzłów, uznając, że po upadku teorii atomów wirowych „badanie węzłów stało się ezoteryczną gałęzią czystej ma tematyki” (Atiyah 1990, s. 6). 52 Chodzi tutaj o model atomu Daltona (przyp. tłum.). 53 Ash i Hewitt 1994, s. 23 i 12. 3. Elektrodynamika jako światopogląd Cała masa elektronów, albo przynajmniej elek tronów ujemnych, jest, jak się okazuje, bez reszty i wyłącznie pochodzenia elektrodynamicznego. Znika masa. Podważone zostają podstawy me chaniki. Włodzimierz Lenin, Materializm a empirio krytycyzm, 1908 (Warszawa: Książka i Wie dza, 1984) ata 1895-1915 to okres bardzo drastycznych zmian w fi zyce teoretycznej i doświadczalnej. W dziedzinie teoretycz nej najważniejszymi osiągnięciami było pojawienie się teorii kwantowej oraz teorii względności. Ze względów historycznych ostatnia z nich jest znana pod dwoma różnymi nazwami: szcze gólnej i ogólnej. Po odkryciu promieniowania rentgenowskiego i promieniotwórczości pod koniec XIX wieku nastąpiło wykrycie korpuskulamego charakteru promieniowania katodowego, które niebawem opisano w kategoriach elektronu jako cząstki elemen tarnej znajdującej się we wszelkiej materii. Odkrycia te ostatecz nie doprowadziły do powstania nowych koncepcji dotyczących materii i promieniowania, czego punktem kulminacyjnym było ujawnienie jądrowej struktury atomu (1911), dyfrakcji promienio wania rentgenowskiego (1912) oraz kwantowego modelu atomu (1913). Co zaś się tyczy fizyki fundamentalnej, dominującym po glądem teoretycznym tego okresu była ujednolicona koncepcja L 108 Wielkie spekulacje materii i eteru, która jednak okazała się ślepą uliczką. Zgodnie z tak zwanym światopoglądem elektromagnetycznym cała przy roda składała się z wszechobecnego ciągłego eteru podlegają cego prawom elektromagnetyzmu. Zagęszczone struktury w ete rze utożsamiano z cząstkami elektiycznymi, znanymi jako jony lub elektrony. (Żadne z tych określeń nie posiada obecnie tego samego znaczenia. „Jon” wtenczas zazwyczaj oznaczał nałado waną elektrycznie cząstkę subatomową, a nie naładowany elek trycznie atom lub cząsteczkę). Ambicją elektromagnetycznej teorii elektronów było stwo rzenie zunifikowanego i matematycznie ścisłego opisu całej przyrody w oparciu o podstawowe równania elektromagnety zmu. W rzeczywistości jednak teoria ta była zaskakująco jałowa i brakowało jej odniesień do odkryć fizycznych tamtego okresu. Chociaż zainteresowanie tą teorią było w znacznym stopniu sty mulowane przez doświadczalne odkrycie elektronu, nie mówiła ona praktycznie nic na temat zjawisk kwantowych, promienio twórczości, fizyki niskich temperatur lub regularności ujaw nionych przez spektroskopię. Koncepcja ta była podobnie bez silna w przypadku opisu powinowactwa chemicznego, układu okresowego i innych aspektów chemicznych. Nie była również w żaden sposób użyteczna przy interpretacji zjawisk astrono micznych i astrofizycznych. Jak to często bywa w przypadku ogólnych i zunifikowanych teorii, istniał głęboki rozdźwięk między ramami teoretycznymi i bardziej przyziemną fizyką doświadczalną. Światopogląd elektromagnetyczny nigdy nie umożliwił stworzenia pomostu łączącego te dwa aspekty fizyki. Podobnie jak wirowa teoria materii, elektromagnetyczny pogląd na przyrodę umarł śmiercią naturalną, porzucony prak tycznie przez wszystkich fizyków, choć nigdy nie wykazano de finitywnie jego fałszywości. Jednak mimo że pogląd ten już do gorywał w momencie, gdy Bohr ogłosił swoją kwantową teorię atomów, a Einstein swą nową teorię grawitacji, jego elementy 3. Elektrodynamika jako światopogląd 109 przetrwały jeszcze przez pewien czas. Ogólna koncepcja, trak tująca zwykłą materię jako zbiór cząstek elektrycznych o masie mającej swoje źródło w procesach elektromagnetycznych, po zostawała popularna, lecz zazwyczaj bez łączenia tego poglądu z eterem lub traktowaniem cząstek jako obiektów posiadających strukturę wewnętrzną. Aby posłużyć się jednym przykładem, Ernest Rutherford, fizyk, który nie był zainteresowany rozwa żaniami teoretycznymi, stwierdził w 1914 roku, że „elektron należy traktować jako skupiony ładunek elektryczności ujem nej, istniejący niezależnie od zwyczajnie rozumianej materii”. Rozważał ewentualność, że ,jądro wodoru o ładunku jednost kowym może okazać się elektronem dodatnim, a jego duża masa w porównaniu do elektronu ujemnego może wynikać z niewielkiej objętości, w której ładunek jest rozmieszczony”1. Choć Rutherford używał języka światopoglądu elektromagne tycznego, nigdy poważnie go nie popierał. Tego typu retoryka była popularna jeszcze w latach dwudziestych XX wieku, lecz nie należy jej traktować jako wsparcia wersji świata zbudowa nej przed I wojną światową na podstawie pojęcia pól elektro magnetycznych. 3.1. Elektrony, materia i eter W latach dziewięćdziesiątych XIX wieku można było dostrzec generalny trend odchodzenia od światopoglądu mechanicznego, opierającego się na koncepcji, w której przyroda składała się z form materii, na podstawowym poziomie złożonych z atomów, zachowujących się w pełnej zgodności z prawami mechaniki newtonowskiej. Zgodnie z tym poglądem atomy same w sobie są elementarne i nie posiadają struktury wewnętrznej, choć trak Rutherford 1914, s. 337. 110 Wielkie spekulacje towano je jako ciała rozciągłe o określonej objętości i masie. Oprócz problemów natuty technicznej i koncepcyjnej, światopo gląd mechaniczny, a w szczególności materializm, przestał być modny z powodów filozoficznych i ideologicznych. Coraz bar dziej uwidaczniała się jego niezgodność z duchem czasów w na ukach fizycznych epoki fin de siecle ’u. Zasadniczo istniały dwie możliwości pozbycia się niepożądanej, surowej materii - przez zastąpienie jej energią bądź eterem. Pod sam koniec XIX wieku wyznawano obie koncepcje, niekiedy nawet łącząc je z sobą. Pierwsza opcja była forsowana przez niemieckiego fizyka Georga Heima, profesora Instytutu Technicznego w Dreźnie, który w 1890 roku zaproponował wyniesienie zasady zacho wania energii do takiego poziomu, aby mogła zastąpić mecha nikę jako fundament fizyki. Uogólniona teoria energii, nazwana przez niego e n e r g e t y k ą (lub energetyzmem), służyła jako nowa ujednolicona zasada, z której miały wynikać mechanika i inne gałęzie nauki. Dzięki pośredniemu wsparciu wpływowego austriackiego fizyka i filozofa Ernsta Macha program energe tyki znalazł wartościowego sojusznika w osobie wybitnego che mika fizycznego Wilhelma Ostwalda, który stał się przywódcą i rzecznikiem czegoś, co można określić bardziej jako ruch niż teorię fizyczną*272. Główną doktryną tego ruchu było założenie, że energia jest bardziej podstawowa niż materia, a termodyna mika jest bardziej podstawowa niż mechanika. Ostwald i jego zwolennicy chcieli traktować jako bunt przeciwko „materiali zmowi naukowemu” pogląd, że mechanika wynikała z bardziej ogólnych praw energetyki w tym znaczeniu, iż prawa mechaniki można było sprowadzić do zasad energetycznych. Ponadto od rzucali oni atomizm, twierdząc, że wiara w atomy i molekuły ma 2 Przypadki systemu energetyki i ich historycznego rozwoju zostały opisane w Leegwater 1986; Deltete 2005; Jungnickel i McCormmach 1986. s. 217— 227. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 111 podłoże metafizyczne oraz że wszystkie zjawiska empiryczne można wytłumaczyć bez wprowadzenia hipotezy atomowej. Ambitnym celem Ostwalda, Heima i ich sojuszników było wyrugowanie z nauki wyobrażalnych hipotez i analogii z me chaniką oraz stworzenie alternatywnej n a u k i w o l n e j o d h i p o t e z (hypothesenfreie Wissenschaft). Ale ambitny pro gram energetyki był kontrowersyjny i napotkał opór ze strony wybitnych fizyków, między innymi Boltzmanna i Plancka. Choć początkowo Planck był otwarty na koncepcje energetyki, do szedł jednak do wniosku, że była to błędna i bezproduktywna wersja filozofii naturalnej, zawierająca jedynie zbiór „dyletanc kich spekulacji”. Uważał, że energetyka nie ma w sobie nic po zytywnego do zaoferowania oraz nie poddaje się weryfikacji za pomocą danych eksperymentalnych i z tego powodu jedynie z trudem można ją traktować jako naukę. Jak napisał w pracy z 1896 roku: „teoria, która aby przetrwać, zmuszona jest do uni kania rzeczywistych problemów, nie jest już osadzona w dzie dzinie nauk przyrodniczych, lecz w metafizyce, dzięki której jest odporna na ataki metodami empirycznymi”3. Choć alternatywa w postaci energetyki była zasadniczo ru chem niemieckim, który wzbudzał jedynie skromne zaintereso wanie nawet wśród rodzimych fizyków i chemików, podobne po glądy stały się dość popularne również poza granicami Niemiec. Wielu naukowców z sympatią traktowało pogląd, że to nie mate ria, lecz energia była esencją rzeczywistości, którą można trak tować wyłącznie jako procesy lub oddziaływania. Energetyka nie stała się jednak nowym fundamentem nauki i do roku 1905 ruch ten zdegenerował się do systemu filozoficznego o parareligijnych skojarzeniach. System ten, często określany jako „monizm”, miał na celu zreformowanie i ujednolicenie filozofii, kultury i myśli społecznej, opierając się na zasadach naukowych. 2 Planck 1896, s. 77. 112 Wielkie spekulacje W 1902 roku Ostwald powołał do życia nowe czasopismo ,Annalen der Naturphilosophie”, którego celem było poszerzenie perspektyw monistycznej i organistycznej koncepcji nauki. Jak można wywnioskować z tytułu czasopisma, wizja nowego ro dzaju nauki miała wiele wspólnego z romantycznym ruchem naukowym początku XIX wieku. Jednak monizm, następca energetyki, został zignorowany przez zdecydowaną większość fizyków4. Jedną ze słabości energetyki był zasadniczy brak jakie gokolwiek odniesienia do elektromagnetyzmu, który stawał się coraz bardziej istotnym działem nauki w latach dziewięćdziesią tych XIX wieku. To właśnie na przestrzeni tej dekady potencjał teorii pola Maxwella został w pełni doceniony przez większość fizyków. Bez względu na rzeczywiste powody fiaska energetyki jej upadek w żaden sposób nie wiązał się z ożywieniem zaufania do światopoglądu mechaniczno-materialistycznego. Dla wielu fizyków przełomu XIX i XX wieku elektryczność i eter były koncepcjami, na podstawie których musiała być zbudowana zu nifikowana fizyka przeszłości. Ponadto byty te uważano za ściś le powiązane, a być może nawet w pewnym sensie identyczne. Chyba najbardziej podstawowym problemem fizyki w tam tym okresie był związek między eterem i materią. Czy eter jest podstawowym substratem, z którego zbudowana jest materia? A może wprost przeciwnie - to materia jest bardziej podsta wową kategorią ontologiczną, której eter stanowi jedynie szcze gólny przypadek? Jak wspomniano w rozdziale 2, bardzo po dobne kwestie były dyskutowane w związku z teorią atomów wirowych i zbliżonych nieelektrodynamicznych koncepcji eteru. Pierwszy pogląd, w którym pierwszeństwo przyznano strukturom powstającym w eterze elektromagnetycznym, zy skiwał na popularności na przełomie XIX i XX wieku, gdy mo4 Opis energetyki i monizmu jako próby stworzenia nowego światopoglądu naukowego znajduje się w Gfirs, Psarros i Ziche 2005. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 113 dele mechaniczne eteru (między innymi opierające się na teo rii wirowej) zostały zastąpione modelami elektrodynamicznymi. Jeśli elektromagnetyzm potraktować jako bardziej fundamen talną teorię niż mechanika, próba wyprowadzenia praw mecha niki z praw elektromagnetyzmu nabierała sensu i właśnie ten cel wielu fizyków teoretycznych starało się osiągnąć. Elektroma gnetyzm zaczął być postrzegany jako jednocząca zasada całej nauki, podobnie jak w przypadku roli przypisanej energii w po dejściu energetycznym rozwijanym przez Ostwalda i Heima. W obu przypadkach materializm uległ odrzuceniu, a materia zo stała uznana za epifenomen dużo bardziej podstawowej wielko ści - energii bądź pola elektromagnetycznego. Jeśli materia nie była ostateczną rzeczywistością, lecz jedynie pewnym przeja wem niematerialnego eteru elektromagnetycznego, wydawało się rozsądne, aby zakwestionować takie ugruntowane doktryny, jak trwałość pierwiastków chemicznych i prawo zachowania materii. W rzeczy samej, tego typu spekulacje nie były rzadko ścią około roku 1900 - dużo wcześniej, zanim zyskały naukowe uzasadnienie. Zastąpienie eteru mechanicznego eterem elektromagnetycz nym stanowiło bardzo istotną zmianę w fizyce lat dziewięćdzie siątych XIX wieku. Nie mniej ważnym aspektem, zresztą blisko związanym z tą metamorfozą, było zaobserwowanie elektronu, pierwszej nowoczesnej cząstki elementarnej. Historia tej cząstki jest złożona i poprzedza o kilka lat jej słynne i „oficjalne” od krycie przez J.J. Thomsona w 1897 roku. Oprócz tego, że nazwa „elektron”, oznaczająca porcję ładunku elektrycznego, została wprowadzona przez George’a Johnstone’a Stoneya już w 1891 roku, był on również traktowany jako cząstka elementarna przed eksperymentami Thomsona z promieniami katodowymi. Przykładowo w ważnej rozprawie z 1894 roku zatytułowa nej Dynamiczna teoria elektrycznego i światłonośnego ośrodka (A Dynamical Theory o f the Electric and Luminiferous Medium) 114 Wielkie spekulacje Larmor wprowadził hipotetyczne elektrony - „lub nazwijmy je monadami” - w celu wyjaśnienia zjawisk elektromagnetycz nych, optycznych i materiałowych. Traktował te cząstki jako pierwotne składniki całej materii, choć ostrożnie podchodził do kwestii przedstawiania ich jako skoncentrowanych pakie tów eteru zamiast z natury materialnych bytów. Według Larmora elektrony lub monady były,jedynymi ostatecznymi i nie zmiennymi osobliwościami w jednorodnym i wszechobecnym ośrodku” . Zakładał on, że atomy pierwiastków chemicznych „są zbudowane z kombinacji jednego typu pierwotnego atomu [elek tronu], który sam może reprezentować pewną jednorodną struk turalną właściwość eteru lub z niej ewoluować”5. Tego rodzaju pojmowanie nieciągłych skupisk eteru stanowiło „uniwersalny klucz do całkowitego rozwikłania ogólnych dynamicznych i fi zycznych związków w materii”, jak to wyraził w swoim szkicu na okoliczność otrzymania Nagrody Adamsa kilka lat później6. Model Larmora wymagał dwóch rodzajów elektrycznie nałado wanych elektronów, przy czym jeden ich rodzaj był „po prostu odwróceniem lub odbiciem drugiego” . Larmor rozumiał jednak, że ten obraz, choć okazał się dla niego atrakcyjny teoretycz nie i pojęciowo, był trudny do pogodzenia ze znanymi faktami chemicznymi. Przykładowo, zgodnie z nową chemią fizyczną, cząsteczka kwasu solnego posiadała formę jonową H+CI~, lecz w takim razie dlaczego nie istniała symetryczna pod względem ładunku forma H“C1+? Kilka lat później J.J. Thomson natknął się na ten sam problem w kwestii odmienności dwóch ładunków elektrycznych. Celem Larmora była unifikacja całej fizyki poprzez po łączenie starszych koncepcji pochodzących z mechaniki i hy drodynamiki z bardziej nowoczesnymi, wynikającymi z elek 5 Larmor 1927, s. 475. Historia elektronu została przedstawiona np. w Arabatzis 2006, a opisy w Buchwald i Warwick 2001. 6 Larmor 1900, s. 78. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 115 tromagnetyzmu, oraz powiązanie modeli ciągłych z modelami nieciągłymi. Oznacza to, że jego światopogląd nie był czysto elektromagnetyczny, lecz opierał się na połączeniu pojęć mecha nicznych i elektromagnetycznych. Niemniej fizyka, którą chciał stworzyć, była zunifikowana w tym sensie, że na podstawowym poziomie świat składał się wyłącznie z dynamicznych struktur w eterze. Elektron Larmora nie był cząstką materialną znajdu jącą się w ciągłym morzu eteru, tak jak w przypadku elektronu Lorentza, lecz wirowym odkształceniem eteru7. Umysł Larmora nie dostrzegał sprzeczności pomiędzy eteryczną koncepcją ma terii a podstawą fizyki, w której mechanika pozostawała nie zbędnym elementem. Elektron stał się bardziej fizyczną i określoną cząstkąjesienią 1896 roku, gdy holenderski fizyk Pieter Zeeman z Uniwersytetu w Lejdzie odkrył efekt nazwany jego nazwiskiem - wpływ pola magnetycznego na częstotliwość promieniowania - a jego rodak Hendrik A. Lorentz wyjaśnił to zjawisko za pomocą teorii elek tronu. Ta i inne prace tego okresu doprowadziły Lorentza i pozo stałych teoretyków do traktowania elektronu jako subatomowej, ujemnie naładowanej cząstki o stosunku masy do ładunku około 1000 razy mniejszym niż elektrolitycznie wyznaczona wartość dla wodoru8. Oznacza to, że (m /q \ = 1000 (m/q)t. Pod wpływem prac Zeemana i Lorentza Larmor przebudo wał swój obraz elektronu i wizję atomu. W maju 1897 roku na pisał w liście, iż skłania się „ku poglądowi, że atom o wielkości 10 8 cm jest skomplikowaną formą Układu Słonecznego zbudo7 Teorie elektronu Larmora i Lorentza są analizowane w Darrigol 1994. Lar mor zauważył, że stosunek między „orbitalnymi prędkościami elektronów” a prędkością emitowanego promieniowania był tego samego rzędu co stosu nek między wymiarami atomowymi a długością fali świetlnej v/c ~ a/A ~ 10~3 (Larmor 1900. s. 233). Zob. również Whyte 1960. który przypuszcza, że to zagadnienie „odnosi się” do późniejszej stałej struktury subtelnej. * Rola efektu Zeemana w procesie, który doprowadził do odkrycia elektronu, została opisana w Robotti i Pastorino 1998. 116 Wielkie spekulacje wanego z krążących elektronów, a zatem pojedynczy elektron jest dużo mniejszy i rząd wielkości 10 14 cm wydaje się odpo wiednią skalą”9. Mniej więcej w tym samym czasie J.J. Thom son ogłosił wyniki serii doniosłych eksperymentów dotyczących promieni katodowych, które interpretował w silnym poczuciu, że cała materia składa się tylko i wyłącznie z elektronów. Ze względów, które nie mają większego znaczenia w tym kontek ście, Thomson nie używał określenia „elektron”, ale wolał na zywać te cząstki „korpuskułami”. W pierwotnej wizji Thomsona elektron różnił się znacząco od cząstki przewidywanej przez teoretyków, między innymi przez Lorentza i Larmora. Podczas gdy ich zdaniem była to struktura w eterze elektromagnetycznym lub będąca jego wzbu dzeniem, elektron Thomsona był materialny. W 1897 roku był nawet gotów uznać go za rodzaj pierwiastka chemicznego (jak uczyniło to kilku późniejszych naukowców, w tym szwedzki badacz spektroskopowy Johannes Rydberg oraz słynny angiel ski chemik William Ramsay). Mimo że elektron nie zaliczał się do pierwiastków chemicznych, wchodził w skład atomów pier wiastków i dlatego mógł uzasadniać możliwość istnienia pro cesu transmutacji. Według FitzGeralda z odkrycia Thomsona wynikało, że „znajdujemy się w mierzalnej odległości od speł nienia marzeń alchemików”10. Dwa lata po odkryciu elektronu Thomsonowi udało się rów nież określić jego ładunek elektryczny. Dzięki wykorzystaniu znanej już wartości ładunku właściwego e/m doprowadziło to do wyniku, że cząstka ta jest około 1000 razy lżejsza od atomu wodoru. Takie bardzo lekkie cząstki Thomson wyobrażał sobie jako drobne składniki atomu, skonfigurowane w położeniach dynamicznej równowagi w bezmasowym i pozbawionym tar 9 List do Olivera Lodge’a z 8 maja 1897 r., cyt. za: Arabatzis 2006, s. 93. 10 FitzGerald 1897, s. 104. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 117 cia, dodatnio naładowanym płynie. Opracowany przez niego w pierwszych latach nowego stulecia model atomowy był am bitny i jednolity, stanowiąc godnego następcę teorii atomów wirowych, którą wcześniej się zajmował, i będąc do niej po dobnym bardziej niż powierzchownie. Zakładając istnienie wyłącznie jednej cząstki elementarnej - elektronu - Thom son stanął przed problemem opisania elektryczności dodat niej jako efektu wywołanego przez elektrony. Jeśli nie uda łoby się mu tego dokonać, jednolita teoria materii musiałaby zostać porzucona i zastąpiona przez mniej atrakcyjną alter natywę w postaci teorii dualistycznej. W 1904 roku opisał ten problem następująco: Zawsze (...) starałem się zachować dystans do fizycznej koncep cji ładunku dodatniego, ponieważ wciąż miałem nadzieję (dotych czas niezrealizowaną), że istnieje możliwość stworzenia teorii bez wprowadzania ładunku dodatniego jako odrębnej wielkości i za stąpienia jej jakąś własnością korpuskuł. Kiedy weźmie się pod uwagę, że wszystko, do czego służy elektryczność dodatnia w ra mach teorii korpuskulamej, to zapewnienie siły przyciągającej do utrzymywania korpuskuł razem, podczas gdy wszystkie obserwowalne własności atomu są określone przez korpuskuly, uważam, że można mieć wrażenie, iż ładunek dodatni ostatecznie okaże się zbędny i uda się uzyskać efekty obecnie mu przypisywane z innej własności korpuskuł". Wyprzedzając historię o 26 lat, w zupełnie odmiennym kon tekście elektronu kwantowego Paul Dirac zasugerował analo giczną koncepcję, mianowicie, że protony są niejako elektro nami w przebraniu, tak zwanymi antyelektronami opisywanymi przez liniowe równanie fali kwantowej, które Dirac sformułował " List do Olivera Lodge’a z 11 kwietnia 1904 r., cyt. za: Kragh 2001 b, s. 207. 118 Wielkie spekulacje w 1928 roku. Traktował ją jako najbardziej atrakcyjną kon cepcję, gdyż rokowała wyjaśnienie całej materii w kategorii wyłącznie jednej podstawowej wielkości, elektronu. W takim opisie „marzenie filozofów” nie byłoby już marzeniem, lecz stałoby się rzeczywistością12. Marzenie pozostało jednak wy łącznie marzeniem, zarówno w przypadku Thomsona, jak i Di raca. Problem z atomem elektronowym Thomsona drastycznie się pogłębił, gdy eksperymenty wykazały, że liczba elektro nów jest tego samego rzędu co masa atomowa. Oznaczało to, że atom byłby niestabilny, jak również że masa ładunku do datniego nie może mieć pochodzenia elektromagnetycznego. Atrakcyjny jednolity obraz atomów złożonych z jednej czą steczki najwidoczniej należało zastąpić mniej atrakcyjnym ob razem dwóch różnych cząstek elementarnych będących podsta wowymi cegiełkami materii. Problem różnicy między ładunkami dodatnimi i ujemnymi był piętą achillesową elektromagnetycznej teorii materii, choć ten temat rzadko był poruszany bezpośrednio. Jednym z nie wielu śmiałków, którzy odważyli się podjąć to wyzwanie, był młody James Jeans. W 1901 roku wysunął on hipotezę, że atom może być zbiorem punktowych ujemnych i dodatnich elektro nów (albo,jonów ”) znajdujących się w równowadze dynamicz nej. W ten sposób zastąpił hipotetyczną sferę Thomsona równie hipotetycznymi dodatnimi elektronami. Choć czas życia modelu Jeansa był krótki, zasługuje on na uwagę ze względu na śmiałą koncepcję anihilacji e+e~: „Nietrudno dostrzec, że ładunki dodat nie i ujemne mogłyby zderzać się z sobą wzajemnie i anihilować do momentu, aż nie będzie można odróżnić miejsca, w którym powinno się znajdować ciało od punktu w pustej przestrzeni”13. Jeans zauważył, że jego obraz konfiguracji atomowej nie jest 12 Dirac 1930, s. 605. Zob. również rozdział 7. 13 Jeans 1901, s. 426. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 119 zgodny z teoriami, które próbowały „osadzić strukturę materii wyłącznie na podstawie elektrycznej lub eterycznej”. Wynika to stąd, że zgodnie z „równaniami elektryczności uwzględniają cymi eter” ładunki dodatnie i ujemne mogły się różnić wyłącz nie znakiem, tak więc „Jakakolwiek próba wyjaśnienia materii za pomocą eteru musi zmierzyć się z problemem redukcji tego, co wydaje się różnicą jakościową, do różnicy wyłącznie w zna ku”14. Odkrycie protonu jedynie pogłębiło ten problem. Żadna teoria elektromagnetyzmu nie potrafiła wyjaśnić, dlaczego pro ton jest prawie 2000 razy cięższy od elektronu, a mimo to po siada dokładnie tę samą wartość ładunku. Koncepcja masy elektromagnetycznej sięga pracy z 1881 roku, w której J.J. Thomson pokazał, że jeśli naładowana sfera porusza się w eterze, samoindukcja spowoduje zwiększenie efektywnej masy sfery w stosunku do jej masy mechanicznej. Kilka lat później Oliver Heaviside wywnioskował z teorii Maxwella, że ta pozorna lub „elektromagnetyczna” masa spełnia wa runek m - l ^ f t R c 2, gdzie e jest ładunkiem, R to promień sfeiy [zawierającej ten ładunek - przyp. tłum.], a c oznacza pręd kość światła. „Wydaje się całkiem możliwe - napisał Heaviside w pracy z 1893 roku - że rozważając czysto elektromagnetyczne spekulacje, można się cały czas znajdować o rzut kamieniem od wyjaśnienia grawitacji” 15. Koncepcja masy elektromagnetycz nej odgrywała ważną rolę w teoriach elektronu około roku 1900 i miała kluczowe znaczenie dla światopoglądu elektromagne tycznego. Naładowana dodatnio sfera o wymiarach atomowych 14 Ibid., s. 454. Podczas pierwszej dekady XX wieku niektórzy fizycy uważa li, że odkryli dodatnio naładowane elektrony, zwierciadlane cząstki zwykłego elektronu. Francuski fizyk Jean Becquerel (syn Henriego Becquerela, znanego z prac nad radioaktywnością) twierdził, że zidentyfikował te cząstki w ekspelymentach magnetooptycznych, jak również w lampach wyładowczych, lecz jego odkrycie nie znalazło uznania w oczach współczesnych mu fizyków. Ten epizod w historii fizyki został opisany w Kragh !989b. 15 Heaviside 1970, s. 528. 120 Wielkie spekulacje miałaby masę elektromagnetyczną pomijalną w porównaniu z masą elektromagnetyczną pojedynczego elektronu. Nie stano wiło to problemu w pierwotnym modelu Thomsona, w którym masa składała się z tysięcy elektronów, lecz po roku 1910, kiedy zdano sobie sprawę, że w atomach znajduje się jedynie nie wielka liczba tych cząstek, stało się to poważną trudnością. Jed nolita teoria zbudowana na podstawie elektronów elektromagne tycznych wydawała się niezgodna z modelem atomu Thomsona. 3.2. Elektromagnetyzm jako światopogląd Inni fizycy, bliżsi światopoglądowi elektromagnetycznemu niż Thomson, uważali, że elektrony były częściowo lub w cało ści pochodzenia elektromagnetycznego i że masa materialna lub grawitacyjna może zostać całkowicie pominięta. Była to opinia Emila Wiecherta, fizyka działającego w Królewcu, dziś znanego głównie z pionierskiego wkładu w sejsmologię i geo fizykę, którego dokonał po tym, jak został mianowany profe sorem w Getyndze. W latach 1895-1896 Wiechert opubliko wał kilka prac dotyczących teorii eteru i elektronu, w których wysunął hipotezę, że wszystkie prawa przyrody można spro wadzić do właściwości eteru elektromagnetycznego. Podobnie jak Larmor zastanawiał się, czy elektrony bądź „atomy elek tryczne” mogą być wzbudzeniami eteru i składnikami skompli kowanych struktur, zwanych tradycyjnie atomami. Nie wierzył jednak, że nowa fizyka eteru elektromagnetycznego lub ewen tualnie jakakolwiek inna teoria fizyczna będzie mogła kiedy kolwiek doprowadzić do teorii wszystkiego. Jak podkreślił w sążnistym artykule z 1896 roku, żadna teoria nie może wy jaśnić wszystkich zjawisk wszechświata niewyczerpanego we wszystkich kierunkach: 3. Elektrodynamika jako światopogląd 121 Biorąc pod uwagę współczesną naukę, musimy całkowicie porzu cić ideę, jakoby wchodząc w sferę mikroświata, będziemy mogli sięgnąć do ostatecznych fundamentów wszechświata. Uważam, że możemy bez żalu zrezygnować z tej koncepcji. Wszechświat jest nieskończony we wszystkich kierunkach, nie tylko w tym, co ponad nami, lecz również w tym, co pod nami. Jeśli rozpoczniemy od naszej ludzkiej skali istnienia i będziemy badać zawartość wszechświata, sięgając coraz dalej w obu kierunkach, w końcu dotrzemy, zarówno w makroskali, jak i mikroskali, do mglistych obszarów, gdzie zawiodą nas najpierw zmysły, a następnie nawet nasze pojęcia16. Nie wszyscy fizycy wychowani w tradycji badań elektroma gnetycznych, która rozpoczęła się pod sam koniec XIX wieku, podzielali propagowaną przez Wiecherta pesymistyczną (a może realistyczną?) wizję wszechświata tak różnorodnego, że aż niepoddającego się wyjaśnieniu przez teorię fizyczną. Choć pro gram osadzenia fizyki w całości na teorii elektromagnetyzmu Maxwella-Lorentza został zapowiedziany przez prace Larmora i Wiecherta, pojawił się dopiero w pierwszych latach nowego stulecia, przede wszystkim w pracach niemieckich fizyków: Wilhelma Wiena, Maxa Abrahama, Waltera Kaufmanna, Karla Schwarzschilda i Adolfa Bucherera17. Wien, profesor Uniwersytetu w Wiirzburgu, stwierdził w 1900 roku, że materię należy rozumieć jako konglomeraty elektronów (dodatnich i ujemnych), których masa miała charak ter elektromagnetyczny. Według Wiena energia elektromagne Wiechert 1896, s. 3. Ten tytuł z Dysona 2004 (pierwsza publikacja w 1988 r.) pochodzi z pracy Wiecherta. Korzystałem z tłumaczenia, które po jawia się na s. 36 w książce Dysona. Temat Wiecherta i jego wczesnych prac dotyczących teorii elektronu został podjęty w Mulligan 2001. 17 Kwestia pojawienia się i rozwoju światopoglądu elektromagnetycznego jest opisana w McCormmach 1970; Jungnickel i McCormmach 1986, s. 227244; Hirosige 1966. Zob. również Kragh 1999a, s. 105-119. 122 Wielkie spekulacje tyczna i masa elektromagnetyczna były związane zależnością 4E = 3mc12. Ponadto zasugerował on, że masa mogłaby zale żeć od prędkości elektronu względem eteru kosmicznego, a za tem jej wartość dla bardzo dużych prędkości różniłaby się od uzyskanej ze wzoru Heaviside’a. Zostało to pokazane kilka lat wcześniej przez George’a Searle’a, fizyka pracującego w La boratorium Cavendisha, który odkrył, że całkowita energia naelektryzowanej sfery o ładunku e poruszającej się z prędkością P = v/c miałaby wartość: Masa elektromagnetyczna sfery odpowiednio by wzrosła. Wien przyjął wynik Searle’a, który uważał za ważny dla pro gramu elektromagnetycznego, nad jakim pracował. Jego praca z 1900 roku o znamiennym tytule O możliwości istnienia elektro magnetycznych podstaw mechaniki ( Uber die Móglichkeit einer elektromagnetischen Begrundung der Mechanik) zawierała pod stawowe koncepcje nowego programu badawczego w zakresie fizyki fundamentalnej, czyli nowego poglądu na przyrodę opie rającego się na teorii elektromagnetyzmu. W 1905 roku Abra ham odniósł się do tego programu jako do e l e k t r o m a g n e t y c z n e g o o b r a z u ś w i a t a , która to nazwa wskazuje zakres i ambicje tej teorii. Miała być czymś więcej niż tylko teorią naukową obejmującą ograniczony obszar przyrody. W czystej postaci ten program badawczy lub światopogląd zakładany przez Wiena, Abrahama i innych naukowców obej mował następujące punkty: (1) Odrzucenie modelowania mechanicznego i ostatecz nych wyjaśnień za pomocą mechaniki. (2) Założenie, że rzeczywistość fizyczna ma charakter elektromagnetyczny. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 123 (3) Przekonanie, że prawa mechaniki mogą być zrozu miane na gruncie elektromagnetyzmu. (4) Zaangażowanie w program badawczy mający na celu ujednolicenie fizyki wyłącznie na podstawie praw i po jęć elektromagnetycznych. Mimo iż jedynie garstka fizyków podpisała się pod wszyst kimi powyższymi punktami, w pierwszej dekadzie XX wieku wielu naukowców popierało ogólny pogląd, że elektromagne tyzm lub teoria elektronu są dużo głębsze i bardziej fundamen talne niż mechanika. Przyjęli oni części programu, a jeszcze większa liczba badaczy flirtowała z nim, dając mu retoryczne wsparcie. Powszechnie uznawano, że schemat ten jest obiet nicą na przyszłość, a nie pełnoprawną teorią fizyczną, to jednak wcale nie zmniejszało jego uroku. Elektromagnetyczny pogląd na przyrodę był popierany głównie przez fizyków europejskich, a szczególnie niemieckich, podczas gdy fizycy brytyjscy nie byli przekonani do koncepcji wyeliminowania pojęć mechanicznych na rzecz idei elektromagnetycznych. Eter brytyjski, na przykład preferowany przez Larmora oraz J.J. Thomsona, nie był tak cał kowicie niemechaniczny jak eter niemieckich zwolenników pro gramu elektromagnetycznego. Zasadniczym celem niemieckich teoretyków elektronu było ujednolicenie fizyki poprzez połączenie pozornie rozbieżnych działów mechaniki i elektromagnetyzmu. Ale podczas gdy na turalną skłonnością od czasów Maxwella było wyprowadzenie praw elektromagnetyzmu z podstaw mechanicznych, nowe po kolenie fizyków nalegało na odwrócenie tego związku i przyzna nie pierwszeństwa elektromagnetyzmowi. W swojej pracy pro gramowej z 1900 roku Wien starał się pokazać, że prawa ruchu Newtona były wyłącznie szczególnymi przypadkami dużo bar dziej ogólnych i podstawowych praw określających właściwości pola elektromagnetycznego. Dotyczyło to również prawa grawi 124 Wielkie spekulacje 3. Elektrodynamika jako światopogląd 125 W następnym roku Walter Kaufmann, fizyk z Uniwersy tetu w Bonn, dokonał przeglądu stanu nowej teorii elektronowej i oczekiwań z nią związanych. Jego zdaniem było to zwieńcze nie wcześniejszej tradycji w elektrodynamice niemaxwellowskiej, zbudowanej na podstawie sił elektromagnetycznych dzia łających bezpośrednio i natychmiastowo na odległość. Zgodnie z podejściem Wiena skupił się na najważniejszych problemach, takich jak masa elektromagnetyczna elektronu, pełne sprowa dzenie mechaniki do elektromagnetyzmu, możliwość zrozu mienia oddziaływań międzycząsteczkowych na bazie elektro dynamiki oraz stworzenie i wetyfikacja elektronowych teorii grawitacji. Zamiast .jałowych wysiłków”, mających na celu sprowadzenie zjawisk elektiycznych do mechanicznych, zapro ponował rozpatrzenie odwrotnego procesu. Poza tym rozważał strukturę atomową w sposób niezwykły dla niemieckich teore tyków elektronu, lecz uderzająco podobny do podejścia prezen towanego przez Larmora i J.J. Thomsona w Anglii. Według Kaufmanna elektrony są prawdopodobnie jedy nymi składnikami atomów, legendarną pierwotną materią. Jeśli atomy pierwiastków składałyby się ze stabilnych konfiguracji elektronów, transmutacja pierwiastków byłaby możliwa, a układ okresowy można by wyjaśnić na bazie naukowej: „Być może pewnego dnia matematyczne podejście umożliwi przedstawie nie względnej częstotliwości występowania pierwiastków jako funkcji ich mas atomowych, jak również dostarczy rozwiązania wielu innych zagadek układu okresowego pierwiastków”. Co więcej, potencjał teorii elektronu nie ograniczał się do mikrokosmosu: „Jeśli spojrzymy na świat kosmiczny, dostrzeżemy wiele zjawisk, które czekają na zastosowanie teorii elektronu, choćby takich jak korona słoneczna, ogony komet oraz zorza polarna”19. Jest charakterystyczne, że Kaufmann jedynie ogólnikowo trak tował te zjawiska i ich związek z teorią elektronu. Nie miał po jęcia, jak zastosować ten opis do tych lub większości innych zja wisk, które uważał za przejawy działania elektronów. 18 Cyt. za: Jungnickel i McCormmach 1986, s. 238. 19 Kaufmann 1901, s. 97. tacji. Ono też miało być wyjaśnione na bazie elektromagnety zmu, choć nie było jasne, jak tego dokonać. W swojej książce Eter i materia z 1900 roku Larmor zastanawiał się, czy nieli niowa modyfikacja równań Maxwella może doprowadzić do grawitacji, doszedł jednak do wniosku, że pomysł ten prawdo podobnie nie przyniesie spodziewanych owoców. Jedną z moż liwości było podążanie drogą wyznaczoną przez Lorentza, który w 1900 roku, opierając się na teorii elektronu, otrzymał prawo grawitacji, które uważał za możliwe uogólnienie prawa New tona. Choć pojawiło się kilka prób tego rodzaju, usiłujących zre dukować grawitację do elektromagnetyzmu, żadna z nich nie zo stała uznana za zadowalającą i powszechnie akceptowaną. Na posiedzeniu Niemieckiego Stowarzyszenia Przyrodni ków i Fizyków w 1900 roku Wien odniósł się do kilku ważniej szych kwestii związanych z nowym podejściem do fizyki fun damentalnej: Zadałem sobie pytanie, czy nie moglibyśmy czegoś zrobić z masą pozorną i pominąć masę bezwładną oraz zastąpić ją określoną elektromagnetycznie masą pozorną w celu uzyskania jednolitego przedstawienia zjawisk mechanicznych i elektromagnetycznych (...). Próbowałem zadać sobie pytanie, czy wychodząc od teorii Maxwella, nie moglibyśmy również dokonać próby wyjaśnienia mechaniki. Umożliwiłoby to osadzenie jej na podstawie elektro magnetyzmu, skoro Lorentz opracował koncepcję prawa grawita cji, zgodnie z którym traktuje się grawitację jako silnie związaną z elektrostatyką18. 126 Wielkie spekulacje Prace teoretyków elektronu były w wysokim stopniu zma tematyzowane i mogły wydawać się odległe od rzeczywistości empirycznej, choć nie pozostawały bez związku z eksperymen tami. Wtedy, tak samo jak i później, fizycy byli w pełni świa domi faktu, że teoria musi w pewien sposób i na którymś etapie odnieść się do świata eksperymentu. Przykładowo teorie elek tronu z początków XX wieku zaowocowały kilkoma modelami struktury elektronu, które mogły być i zasadniczo były analizo wane eksperymentalnie. W szczegółowym badaniu dotyczącym dynamiki elektronu z 1903 roku Abraham opracował model ob razujący elektron jako drobną sztywną sferę o jednorodnej gę stości powierzchniowej lub objętościowej ładunku20. Uważał, że tylko taki model jest w pełni zgodny z teorią elektromagnety zmu. Wykazał, że masa sztywnego elektronu zwiększa się wraz ze wzrostem prędkości zgodnie z dobrze określonym wyraże niem matematycznym (zob. poniżej). Istniało kilka innych mo deli elektronu, z których model Lorentza z 1904 roku był naj ważniejszy. Do tego czasu holenderski teoretyk zaakceptował jedną z najistotniejszych doktryn światopoglądu elektromagne tycznego, a mianowicie, że masa elektronu musi być pochodze nia elektromagnetycznego. Jego model różnił się jednak od mo delu Abrahama, gdyż uwzględniał odkształcenie elektronu, czyli jego skrócenie w kierunku ruchu (w stosunku do eteru kosmicz nego), a tym samym uzyskiwał kształt elipsoidalny zamiast ku listego, jaki miał w spoczynku. Inna różnica polegała na tym, że masa elektronu Lorentza wzrastała wraz ze wzrostem prędko ści w nieco inny sposób niż w przypadku sztywnego elektronu Abrahama. W tym czasie związek między oboma konkurencyjnymi modelami stanowił przedmiot gorących dyskusji. Abraham, Kaufinann, Arnold Sommerfeld i kilku innych teoretyków twier 20 Szczegółowa analiza teorii Abrahama znajduje się w Goldberg 1970. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 127 dziło, że elektron Lorentza potrzebował oddziaływania nieelektromagnetycznego, co stało w sprzeczności z duchem elektroma gnetycznego poglądu na przyrodę. Jednak nie było w tej kwestii zgody wśród specjalistów. Przykładowo Hermann Minkowski uważał elektron Lorentza za lepiej spełniający teorię Maxwella niż elektron Abrahama. Niemniej do 1906 roku ogólna opinia panująca wśród niemieckich specjalistów w zakresie obrazu elektronu była taka, że opowiadali się za czystszą formą świa topoglądu elektromagnetycznego prezentowanego przez Abra hama. Wśród zwolenników teorii sztywnego elektronu był Som merfeld, który na spotkaniu niemieckich naukowców w 1906 roku jasno określił, że traktuje teorię Lorentza (lub Lorentza-Einsteina) jako beznadziejnie konserwatywną. Jego zdaniem była to próba ratowania resztek starego światopoglądu mechan istycznego przed nadchodzącą rewolucyjną falą. Do 1904 roku elektromagnetyczna wizja świata okrzepła i okazała się bardzo atrakcyjnym substytutem poglądu mechanistycznego, który był powszechnie postrzegany jako przestarzały, materialistyczny i prymitywny. Le roi est mort, vive le roi! Ko lejny wyraz tej zmiany poglądów mogą stanowić odczyty wy głoszone przez niektórych liderów społeczności fizycznej pod czas Kongresu Sztuk i Nauk, który odbył się w Saint Louis we wrześniu 1904 roku. Ogólnym przesłaniem wielu przemówień był wniosek, że fizyka znalazła się na rozdrożu oraz że fizyka elektronu była na dobrej drodze do ustanowienia nowego para dygmatu rozumienia przyrody. W generalnym podsumowaniu problemów w fizyce matematycznej Henri Poincare wymownie mówił o „generalnej destrukcji zasad”, którą charakteryzował się tamten okres. Samemu w istotny sposób przyczyniając się do rozwoju dynamicznej teorii elektronu, był wówczas gotów stwierdzić, że „masa elektronów, a na pewno elektronów ujem nych, jest wyłącznie elektrodynamicznego pochodzenia”. Wy stąpienie innego francuskiego fizyka, Paula Langevina, było nie 128 Wielkie spekulacje mniej wymowne i w nie mniejszym stopniu przemawiało na ko rzyść światopoglądu elektromagnetycznego, który został potrak towany jako otwarcie nowej ery w fizyce teoretycznej: Niedawno odkryta koncepcja elektryczna zdaje się obecnie do minować w całej fizyce teoretycznej jako miejsce wybrane przez badaczy na założenie twierdzy przed wyprawą na nowe terytoria (...). Jak starałem się pokazać, obecna tendencja do zajęcia przez koncepcje elektryczne dominującego miejsca jest uzasadniona ze względu na solidność podwójnej podstawy, na której opiera się koncepcja elektronu [równania Maxwella-Lorentza i elektron em piryczny] (...). Choć są nadal bardzo świeże, koncepcje te, któ rych zbiorczy obraz usiłowałem przedstawić, mogą przeniknąć do samego serca całej fizyki i pełnić funkcję żyznej gleby, wokół której wykrystalizują się w nowym porządku fakty bardzo od sie bie odległe (...). Ta idea dokonała niebywałego rozwoju w ciągu ostatnich kilku lat, powodując rozbicie w drobny mak ram starej fizyki i obalenie ustalonego porządku koncepcji i praw w celu po nownego rozgałęzienia w strukturę, która w przewidywaniach ma być prosta, harmonijna i owocna21. Mimo że Langevin był nastawiony jednoznacznie entuzja stycznie do elektromagnetycznej wizji przyrody, dostrzegał rów nieżjej problemy i ograniczenia. Uważał, że oddziaływania międzycząsteczkowe mogą pewnego dnia zostać wyjaśnione za pomocą elektromagnetyzmu, wątpił jednak, że to samo może dotyczyć grawitacji. Bez względu na te ograniczenia zdecydowanie twier dził, że wyższość praw i pojęć mechaniki należała była już histo rią i że przyszłość będzie należeć do eteru elektromagnetycznego. Zmierzając do stworzenia jednolitej teorii wszelkiej mate rii i wszystkich oddziaływań, metodologia stojąca za programem 21 Cyt. za: Sopka i Moyer 1986, s. 292 i 230. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 129 badań elektromagnetycznych była wyraźnie redukcjonistyczna, co jest ogólną cechą teorii osadzonej na tego typu wielkiej spe kulacji. Podstawę modelu stanowiła elektrodynamika Maxwella i Lorentza, być może w jakiejś zmodyfikowanej i uogólnionej wersji. Kiedy ten najbardziej ambitny program zostanie zakoń czony i przekuty w prawdziwą teorię, żadna kwestia nie pozo stanie niewyjaśniona - oczywiście na gruncie teoretycznym. W tym sensie była ona wyraźnie pomyślana jako teoria wszyst kiego w nie mniejszym stopniu niż wcześniejsza teoria wirowa. Cząstki elementarne, zjawiska kwantowe i atomowe, a nawet grawitacja zostały uznane za przejawy podstawowego podłoża całej fizyczności - eteru elektromagnetycznego. W pewnym sen sie teoretycy elektronu uważali, że osiągają kres fizyki, przynaj mniej w zakresie fizyki fundamentalnej. Zdawali sobie sprawę, że brakowało im wszystkich szczegółów, ale uznawali, że zasad niczo znaleźli definitywne ramy ostatecznej teorii. Teorie elektronu opracowane od około 1900 roku były po czątkiem zwiększonej matematyzacji fizyki i wprowadzenia stylu, w którym matematycznym argumentom przyznawano wyższy niż wcześniej priorytet. Ten nowy styl wkrótce dopro wadził do koncepcji fizycznych mających zasadniczo charak ter matematyczny, jak zostanie to pokazane poniżej. Mimo że wielu niemieckich fizyków dołączyło do tego matematycznego trendu, byli i tacy, którzy stanowczo mu się sprzeciwiali. Paul Drude, uznany ekspert w dziedzinie optyki i elektromagne tyzmu pracujący na Uniwersytecie w Lipsku, odczuwał nie chęć do podejścia, które nazywał „kierunkiem matematyczno-filozoficznym” w fizyce teoretycznej. Przyjmując fenomenalistyczny pogląd na naukę, preferował kierunek „praktyczno-fizyczny” i zwracał uwagę, że fizycy nie powinni kłaść zbyt dużego nacisku na metody i standardy matematyczne. W prze mówieniu z 1894 roku przestrzegał przed „realnym zagroże niem w stosowaniu matematyki lub, dokładniej, sztywnego 130 Wielkie spekulacje formalizmu”22. Chociaż pogląd Drudego był podzielany przez niektórych z jego kolegów - w tym takie znakomitości jak Planck i Boltzmann - w ciągu następnej dekady matematyka zaczęła odgrywać coraz większą rolę w fizyce, sugerując nie którym, że istnieje wewnętrzna harmonia pomiędzy matematyką i światem badanym przez fizyków. Około 1905 roku przeważał pogląd, że eter stanowił nie odzowną część nowej fizyki elektronu - w istocie jeszcze je den sposób opisu pola elektromagnetycznego. Był pozostało ścią po usunięciu materii grawitacyjnej. Pewien fizyk, August Foppl z Monachium, porównał możliwość istnienia przestrzeni bez eteru do wewnętrznie sprzecznego pojęcia lasu bez drzew23. Eter przetrwał atak na starą fizykę, ale był to wysoce abstrak cyjny eter, pozbawiony materialnych właściwości. Lorentz do szedł do wniosku, że eter jest niczym innym jak układem od niesienia, w którym można mierzyć czas absolutny; jako układ odniesienia był on z założenia niemierzalny. Wielu naukowców utożsamiało eter z próżnią bądź ewentualnie z przestrzenią, jak w przypadku Maxa Plancka w 1909 roku. W przeciwieństwie do większości teoretyków elektronu Planck był jednak zwolen nikiem teorii dualistycznej, podkreślając raczej różnice niż po dobieństwa między elektronami i eterem. Jak napisał w liście, eter jest „całkowicie odmienny od elektronów”. Odnosząc się do atomistycznej struktury materii i elektryczności, zwrócił uwagę, że „eter ma strukturę ciągłą [i] z tego względu elektrony, czyli atomy elektryczności, pozostają w bliższym związku z materią grawitacyjną niż z eterem”24. Zdematerializowany eter był dużo bardziej popularny na kontynencie niż wśród fizyków brytyjskich, którzy nie byli 22 Cyt. za: Pyenson 1982, s. 140. Na temat wstępnie ustanowionej harmonii zob. poniżej. 23 Illy 1981a, s. 182. 24 List do Friedricha Kuntzego, cyt. za: Kragh 200Ib, s. 211. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 131 skłonni zaakceptować czysto niemechanicznego, próżniowego charakteru eteru. Pogląd J.J. Thomsona na eter, pomimo jego sympatii dla elektronu elektromagnetycznego, różnił się znacząco od poglądu niemieckich teoretyków elektronu. Prezentując swój punkt widzenia, w 1907 roku opisał związek między eterem i ma terią w kategoriach, które mogły pochodzić z dobrze mu znanego dzieła Niewidzialny wszechświat Taita i Stewarta. „Prowadzi nas to wówczas do wniosku, że niewidzialny wszechświat - eter - jest w dużej mierze kuźnią materialnego wszechświata, oraz że obser wowane przez nas zjawiska przyrodnicze są obrazami tkanymi na krosnach niewidzialnego wszechświata”25. Dwa lata później, w swoim prezydialnym przemówieniu na forum Brytyjskiego Stowarzyszenia Popierania Rozwoju Nauki, Thomson przypomniał zebranym, że zwykła materia chemiczna „zajmuje jedynie nieznaczny ułamek wszechświata, tworzy maleńkie wysepki w wielkim oceanie eteru - substancji, którą wypełniony jest cały wszechświat”. „To eteryczne medium kontynuował - nie jest fantastycznym wytworem filozofów spekulatywnych; jest dla nas tak niezbędne jak powietrze, którym oddychamy”. Eter Thomsona znajdował się w „niewidzialnym wszechświecie” i działał jak „bank, w którym możemy przecho wać energię i podjąć ją w dogodnym dla nas momencie”26. Jo seph John Thomson, laureat Nagrody Nobla i słynny odkrywca elektronu, miał możliwość ujrzeć konsekwencje zarówno teorii względności, jak i nowej teorii mechaniki kwantowej. Mimo to nigdy nie przestał wierzyć w istnienie eteru. Należy zauważyć, że elektromagnetyczna wizja przyrody, pomimo swej ogólności, nie obejmowała kosmologii w zwy kłym znaczeniu tego słowa. Podobnie jak w przypadku teorii 25 Thomson 1908, s. 550. 2(’ Thomson 1909. s. 15 i 20. Wprowadzony przez Thomsona obraz wysoko energetycznego eteru wypełniającego całą przestrzeń może przypominać współczesnemu czytelnikowi ciemną energię kosmologii XXI wieku. 132 Wielkie spekulacje wirowej, nie mówiła nic na temat struktury i rozwoju wszech świata. Choć stanowiła w głównej mierze teorię materii i zja wisk elektromagnetycznych, nie była odizolowana od astro nomii i astrofizyki, mimo iż obszary te były postrzegane jako peryferyjne. Niekiedy sugerowano, że nową teorię elektronu można stosować do problemów astrofizycznych, takich jak cha rakter korony słonecznej lub zagadkowa zielona linia w widmie zorzy polarnej. Kilku fizyków wykorzystało koncepcje elektrograwitacyjne w celu badania zjawisk astronomicznych. Przy kładowo anomalia trajektorii ruchu Merkurego wokół Słońca, dobrze znany problem newtonowskiej teorii grawitacji, była analizowana przy zastosowaniu teorii elektronu przez niemiec kiego fizyka Richarda Gansa. Chociaż otrzymał wartość prawi dłowego rzędu dla ruchu peryhelium, ani on, ani inni naukowcy nie twierdzili, że problem ten został rozwiązany. Na początku drugiej dekady XX wieku powszechnie uwa żano, że elektromagnetyczna wizja przyrody prawdopodobnie nie jest odpowiedzią na zagadkę nowej teorii grawitacji. Długo poszukiwane rozwiązanie przyniosła dopiero ogólna teoria względności Einsteina. Odpowiedź ta była jednak zupełnie inna od wyjaśnień formułowanych na podstawie elektromagnetycz nego obrazu świata. Światopogląd elektromagnetyczny lub eteryczny, rozu miany w szerokim znaczeniu, nie ograniczał swojego zakresu do społeczności fizyków. Był używany i nadużywany przez wielu myślicieli praktycznie wszystkich szkół filozoficznych, w więk szości przez idealistów i okultystów, ale również przez niektó rych materialistów ze szkoły dialektycznej. Francuskiego autora, psychologa i fizyka amatora Gustave’a Le Bona można uznać za przedstawiciela pierwszej grupy. W swoim bardzo popular nym dziele Ewolucja materii z 1905 roku Le Bon doszedł do wniosku, że materia jest epifenomenem, powoli przekształca jącym się w promieniowanie eterowe. Dla niego i wielu innych 3. Elektrodynamika jako światopogląd 133 badaczy eter stanowił „ostateczną nirwanę, do której wszyst kie byty wracają po zakończeniu mniej lub bardziej efemerycz nego istnienia”27. Przykładem z drugiej grupy może być rewo lucyjny komunista Włodzimierz Lenin, który w swym dziele Materializm a empiriokrytycyzm z 1908 roku omawiał z sym patią i dość szczegółowo światopogląd fizyczny opierający się na istnieniu pól, eteru i elektronów. Będąc dalekim od przyzna nia, że pogląd ten wspierał idealizm, traktował go jako solidne poparcie materializmu dialektycznego, stanowiącego podstawę filozoficzną komunizmu. Jak stwierdził: „Elektron jest równie n i e w y c z e r p a l n y j a k atom, przyroda jest nieskończona, ale też nieskończenie istnieje (,..)”28. Zdaniem Lenina współcze sny światopogląd fizyczny był zbieżny z materializmem dialek tycznym i stanowił przeciwieństwo „relatywistycznego agnostycyzmu i idealizmu”. 27 LeBon 1905. s. 315. 28 Cytowane w oryginale z wydania w formie elektronicznej dzieła Mate rializm a empiriokrytycyzm dostępnego na stronie: http://www.marxists.org/ archive/lenin/works/1908/mec/index.htm. (Tłumaczenie polskie: W. Lenin, Materializm a empiriokrytycyzm, Warszawa: Książka i Wiedza, 1984). Nie jest jasne, co dokładnie Lenin przez to rozumiał, lecz w jakiś sposób to stwier dzenie stało się słynne w pewnych kręgach jako dowód jego głębokiej wiedzy dotyczącej struktury świata. Najpewniej jednak nie była ona głębsza niż eru dycja Le Bona, który sugerował, że elektron „sam posiada strukturę skompli kowaną w stopniu przypisywanym atomowi i może (...) stanowić prawdziwy układ planetarny. W nieskończoności światów wielkość i znikomość mają je dynie wartość względną” (Le Bon 1905, s. 227). Istnieje pewne podobieństwo między stwierdzeniem Lenina a poglądem Wiecherta cytowanym powyżej, lecz uważam za mało prawdopodobne, aby Lenin czerpał inspirację z pracy Wiecherta. Informacje na temat Lenina i światopoglądu elektromagnetyczne go można również znaleźć w Illy 1981b. 134 Wielkie spekulacje 3.3. Problemy teorii względności i mechaniki kwantowej Wczesne lata XX wieku zajmująspecjalne miejsce w historii na uki ze względu na pojawienie się dwóch fundamentalnych teo rii, które zrewolucjonizowały fizykę, czyli mechaniki kwanto wej i teorii względności. Z punktu widzenia fizyków teoretyków tamtego okresu teorie eterowe elektronu były jednak znacznie bardziej ekscytujące i doniosłe. W jaki sposób pojęcia kwan tyzacji energii i względności ruchu, które ostatecznie odniosły tak ogromny sukces, odnosiły się do modnej idei świata elektro magnetycznego? Szczególna teoria względności Einsteina pojawiła się w roku 1905 w pracy opublikowanej w czasopiśmie „Annalen der Physik”, a zatytułowanej O elektrodynamice ciał w ruchu (Zur Elektrodynamik bewegter Kórper). Tytuł może sprawiać wrażenie, rozpowszechniane przez wiele lat, że teoria ta nale żała do tradycji stworzonej przez Poincarego, Lorentza i Abra hama, choć nie miała ona z nią absolutnie nic wspólnego. Ein stein uzyskał ten sam wzór transformacyjny dla długości i czasu, który wyprowadzili Larmor w 1900 oraz Lorentz w 1904 roku, w obu przypadkach opierając się na teorii elektronu. Co wię cej, dla masy elektronu otrzymał tę samą zależność od prędko ści, którą zaproponował Lorentz w swojej teorii odkształcalnego elektronu, a mianowicie: m<v>=\/nV =»-.('+ł^+k ) ’ gdzie p . Teoretycy elektronu nie byli również wstrząśnięci v przewidywaniem Einsteina mówiącym o równoważności ener gii i masy (opisanej wzorem E = mc2), gdyż taka tożsamość była w większym lub mniejszym stopniu zakładana w ramach elektro magnetycznej wizji materii, na co zwrócił uwagę Wien w 1900 3. Elektrodynamika jako światopogląd 135 roku. W literaturze fizycznej można znaleźć pół tuzina propo zycji sformułowania związku między energią i masą, opubliko wanych przed pojawieniem się słynnego wzoru Einsteina29. Nic więc dziwnego, że wielu czytelników artykułu Einsteina błędnie myślało, że był to jeszcze jeden przyczynek do teorii elektronu, coś na kształt nowej wersji modelu Lorentza. W teorii względ ności jednak nie tylko nie było miejsca na elektromagnetyczną strukturę elektronu - Einstein uznał istnienie eteru za zbędne. Niemniej prawdziwa natura tej koncepcji, która niebawem stała się znana jako teoria względności - nazwę tę wprowadził Planck w 1906 roku - nie została natychmiast doceniona i często trak towano jąjako ulepszoną wersję opisu elektronu Lorentza. Nie kiedy określano ją nazwą „teoria Lorentza-Einsteina”, która pojawiała się w literaturze jeszcze w latach dwudziestych XX wieku. Nawet Hermann Minkowski, który w 1907 roku zapro ponował istotne przeformułowanie teorii Einsteina w zakresie geometrii czasoprzestrzeni, uznawał, że mieści się ona w ramach światopoglądu elektromagnetycznego. Wciąż miał nadzieję na realizację tej wizji świata i uważał, że teoria względności może być przyczynkiem do jej osiągnięcia. Do około 1909 roku fikcyjna teoria Lorentza-Einsteina była ważniejsza niż rzeczywista teoria Einsteina, w szczegól ności dlatego, że weszła do debaty nad strukturą elektromagne tyczną elektronu ze względu na przewidywaną zmienność jego masy. Jak wspomniano powyżej, głównymi jej konkurentami był model sztywnego elektronu Abrahama i teoria odkształ calnego elektronu Lorentza, które zakładały odmienną zmianę masy przy bardzo dużych prędkościach. Podczas gdy wzór ” Zob. lista zależności wiążących energię z masą w latach 1885-1914 w Fadner 1988. Związki masy z energią w teoriach elektromagnetycznych były w znacznie większym stopniu ograniczone niż relacja zaproponowana przez Einsteina. Według Einsteina każdy rodzaj zmiany energii powoduje równo ważną zmianę masy i odwrotnie. 136 Wielkie spekulacje Lorentza był taki sam jak Einsteina, wyrażenie otrzymane przez Abrahama miało postać: 137 3. Elektrodynamika jako światopogląd r 0 -ł ^ ' o 1O ^ r * ------------ o ri e * w ( v) so t 0( 1 + ^ + 2 5 T 5 7 7 ^ ). J8S i r ' ' ' C Trzecią możliwością, zaproponowaną przez Bucherera i Langevina, był odkształcalny elektron o niezmienniczej objęto ści. Aby rozstrzygnąć kwestię masy elektromagnetycznej, Kaufmann wykonał serię skomplikowanych eksperymentów, z których wysnuł wniosek, że cała masa elektronu jest pochodzenia elektromagnetycznego, zgodnie z poglądem Abrahama. Z dru giej strony wyniki jego eksperymentów były sprzeczne z teorią Lorentza-Einsteina, a przynajmniej sam tak uważał. Ekspery menty i ich interpretacja były jednak na tyle subtelne, że mimo iż traktowano je jako potwierdzenie teorii Abrahama, nie stano wiły dowodu na jej prawdziwość. Bardziej dokładne eksperymenty wykonane przez Adolfa Bucherera w 1908 roku dały odwrotny wynik, czyli potwierdziły teorię Einsteina-Lorentza, a w ciągu kilku lat przyjęto, że model sztywnego elektronu Abrahama nie odzwierciedla rzeczywisto ści doświadczalnej (rys. 3.1 )30. Ponieważ koncepcja Abrahama była uosobieniem światopoglądu elektromagnetycznego, wynik ten uznano za poważny cios dla ogólnej wizji eteru elektroma gnetycznego jako podstawy całej fizyki. Dobrze zdefiniowana teoria, w odróżnieniu od światopo glądu, może zostać sfalsyfikowana przez doświadczenie. Elek tromagnetyczna wizja przyrody nie została zniszczona wyłącz nie przez eksperymenty, choć na pewno przyczyniły się one do jej upadku. Elektromagnetyczny program badawczy w swej standardowej formie był niezgodny z teorią względności, a wraz 30 Szczegółowy opis początków i wczesnej fazy rozwoju szczególnej teorii względności, w tym eksperymentów Kaufmanna, Bucherera i innych badaczy, można znaleźć w Miller 1981. D c < * o 0.9......................... 0.8 ~ 07 0.6 0.5 " 0.4 03 n Rys. 3.1. Z g o d n ie z teorią Abrahama, którą w ielu fizyków niemieckich p o strzegało jako reprezentującą św iatopogląd elektromagnetyczny, m asa szybko poruszającego się elektronu p ow inna zwiększać się z prędkością w od m ie n n y sp o só b niż przewidywała to teoria w zględności Einsteina. O bie teorie zakładały stałą wartość e/ma. Na tym w ykresie z 1916 roku wartości dośw iadczalne zostały p od an e w w artościach e/m# obliczonych na podsta wie tych d w ó ch teorii i w ykreślonych w funkcji J3 = v/c. D ane są zgo d n e ze w zorem Einsteina-Lorentza i niezgodne ze w zorem Abrahama. Źródło: Clem ens Schaefer, Die trage M asse schnell bewegter Elektronen, „Annalen der P h ysik "4 9 (1916), s. 934-938. ze zrozumieniem i akceptacją teorii Einsteina projekt elektroma gnetyczny stracił wiele ze swej wiarygodności. Choć nie został podważony w bezpośredni sposób, zaczęto go postrzegać jako nieistotny i nieważny, a nawet jako pomyłkę. Einstein, będąc twórcą teorii względności, był również pio nierem innej rewolucyjnej teorii tego okresu, czyli teorii kwan tów. Biorąc swe początki od wyjaśnienia przez Plancka w 1900 roku widma ciała doskonale czarnego, teoria kwantowa była po czątkowo traktowana jako teoria promieniowania elektromagne tycznego i w większym bądź mniejszym stopniu ograniczała się do tego obszaru. Przez kilka pierwszych lat po roku 1900 postu lat kwantyzacji energii nie przyciągnął większej uwagi, a prawa promieniowania Plancka nie traktowano jako zerwania z fizyką klasyczną, nawet przez samego Plancka. Miało znaczenie tylko 138 Wielkie spekulacje to, że owo prawo pozostawało w znakomitej zgodności z eks perymentami. Mniej więcej w czasie, gdy Lorentz ukończył swoją teorię elektronu, zaczął studiować model promieniowa nia ciała doskonale czarnego Plancka w nadziei, że będzie ją mógł otrzymać z teorii elektronu, dzięki czemu uniknie niezado walających i niejasnych elementów wyprowadzenia zapropono wanego przez Plancka31. Ku swemu zaskoczeniu i konsternacji nie udało mu się osiągnąć tego celu. Opierając swoje rozumowa nie na koncepcjach pochodzących z elektronowej teorii metali, otrzymał prawo Rayleigha-Jeansa, nazwane tak na cześć lorda Rayleigha i Jamesa Jeansa. Zgodnie z tą zasadą, która odtwa rza widmo ciała doskonale czarnego również dla dużych długo ści fal, gęstość energii promieniowania elektromagnetycznego zmienia się proporcjonalnie do kwadratu częstotliwości:p ~ v2T. Wynik ten był teoretycznie zadowalający, nie pasował jednak do wyników eksperymentów. Dostrzegając ten problem, w latach po 1903 roku Lorentz zwrócił uwagę na pozorną niezgodność koncepcji kwantowej z teorią elektronu w klasycznej postaci. W wykładzie z 1908 roku uściślił swój wcześniejszy wynik, jednoznacznie udowadniając, że istniejąca teoria elektronu musi prowadzić do prawa Rayleigha-Jeansa, które w tamtym czasie zwane było niekiedy prawem Jeansa-Lorentza. Światopogląd elektromagnetyczny okazał się niezgodny z potwierdzonym doświadczalnie wzorem Plancka. Jak to sformułował w swojej Teorii elektronów, „będzie niezwy kle trudno otrzymać wzór inny niż Rayleigha, dopóki będziemy się stosować do ogólnych zasad teorii elektronów”32. Mimo to on sam i kilku innych fizyków zajmujących się teorią elektronu, 51 Związek pomiędzy światopoglądem elektromagnetycznym i wczesną teo rią kwantową został opisany w Seth 2004 i McCormmach 1970, s. 485-488. 32 Lorentz 1952, s. 287. Pierwotnie opublikowana w 1909 r., książka ta zo stała oparta na cyklu wykładów wygłoszonych na Uniwersytecie Columbia w 1906 r. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 139 w tym Sommerfeld, żywili mglistą nadzieję, że pełniejsza teoria elektromagnetyczna może doprowadzić do poprawnego wzoru. Spowodowało to, że Wien zaniepokoił się wynikiem Lorentza, który wykazał, iż „teoria Maxwella musi zostać odrzucona na rzecz teorii atomowej”. Postrzegał jednak ten wynik również jako zachętę „do poszukiwania rozszerzenia równań Maxwella w ramach teorii atomu”33. Mimo niejasnych prób utrzymania programu elektromagne tycznego przy życiu w przypadku fizyki promieniowania, po gląd Lorentza spowodował spadek zaufania do tego projektu. Mniej więcej w tym samym czasie epistemiczny potencjał i no watorstwo teorii kwantowej stały się wyraźniejsze, zwłaszcza po tym, jak Einstein wykazał, w jaki sposób na podstawie tej teo rii można wytłumaczyć efekt fotoelektiyczny i ciepło właściwe ciał stałych. Teoria kwantowa okazała się czymś znacznie więk szym niż tylko teorią promieniowania cieplnego. Wraz ze wzro stem zrozumienia fundamentalnej natury teorii kwantowej jej niezgodność ze światopoglądem elektromagnetycznym stawała się coraz bardziej oczywista. Upadek elektromagnetycznego programu badawczego był procesem złożonym, zarówno z przyczyn naukowych, jak i z po wodów związanych ze zmianami w kulturowym klimacie epoki. Niezgodność z teorią względności i teorią kwantową była naj ważniejsza z przyczyn naukowych. W żadnym przypadku pro gram ten nie został całkowicie odrzucony, ale utracił energię i znaczenie w odniesieniu do problemów głównego nurtu fizyki. Zasadniczo teoria elektronu musiała konkurować z innymi osią gnięciami w fizyce, które nie miały związku z tą koncepcją, a po 1910 roku nowe dokonania odciągnęły zainteresowanie od tak ekscytującej swego czasu teorii eteru i elektronów. Zaszło tyle 33 List do Arnolda Sommerfelda z 15 czerwca 1908 r., cyt. za: Seth 2004, s. 81. 140 Wielkie spekulacje nowych i ciekawych wydarzeń i dokonano tak wielu odkryć, że pod znakiem zapytania stał sens skomplikowanych i zbyt ambit nych prób zbudowania całej fizyki na podstawie pola elektroma gnetycznego. Do roku 1911, w którym odbył się pierwszy kon gres Solvaya poświęcony fizyce, jedynie kilku fizyków czuło się związanych z elektromagnetyczną wizją przyrody, która mniej niż dekadę wcześniej była zapowiadana jako rewolucja w my śleniu o fizyce. Chyba najgorszą rzeczą, jaka może spotkać ogło szoną rewolucję, jest to, że nikogo ona nie obchodzi. 3.4. Polowa teoria materii Mie Chociaż teoria względności była głównym powodem upadku światopoglądu elektromagnetycznego, istniała możliwość utrzy mania samego sedna tego poglądu i jednoczesnego wykorzy stania szczególnej teorii względności Einsteina. Był to jeden ze sposobów podtrzymywania przy życiu marzenia o wszechświecie elektromagnetycznym, a dokonał tego niemiecki fizyk Gustav Mie, profesor Uniwersytetu w Greifswaldzie. Mie opu blikował swoją teorię materii i grawitacji w cyklu obszernych artykułów w czasopiśmie „Annalen der Physik” w roku 1912 i 191334. Jest dzisiaj pamiętany nie dzięki swej monumentalnej, choć nieudanej zunifikowanej teorii, lecz ze względu na ważną pracę z 1908 roku, w której obliczył na podstawie elektrodyna miki rozpraszanie światła na ciałach sferycznych. („Efekt Mie” jest nadal istotny dla wielu działów fizyki). Mie był najbardziej produktywnym i wpływowym naukowcem późnej fazy pro gramu elektromagnetycznego. Jego cykl artykułów pod wspól-*i 34 Teoria Mie jest opisana w Vizgin 1994, s. 26-38; Corry 1999; Smeenk i Martin 2007. Fragmenty artykułów Mie z ,Annalen” zostały przetłumaczone na język angielski w Renn 2007, t. 4, s. 633-697. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 141 nym tytułem Podstawy teorii materii (Grundlagen einer Theorie der Materie) opierał się na trzech założeniach: (1) Elektrony są strukturami znajdującymi się w eterze elek tromagnetycznym i stanowią jego nieodłączną część. (2) Zasada względności jest zawsze spełniona. (3) Wszystkie zjawiska fizyczne można określić za po mocą wielkości elektromagnetycznych powiązanych z eterem. Co się tyczy ostatniego założenia, sformułował je następu jąco: „Obecnie znane stany skupienia eteru (...) całkowicie wy starczają do opisu wszystkich zjawisk świata materialnego”35. Pomimo przyjęcia zasady względności Einsteina bez za strzeżeń Mie był nie mniejszym zwolennikiem światopoglądu elektromagnetycznego niż inni fizycy wczesnych teorii, tacy jak Abraham czy Wien. W popularnej książce z 1907 roku opi sał w kategoriach jakościowych istotę swojej teorii świata, nie pozostawiając żadnych wątpliwości, że należy ona do tradycji światopoglądu elektromagnetycznego: Materialne cząstki elementarne (...) są po prostu osobliwościami w eterze, w których zbiegają się linie naprężenia elektrycznego eteru; krótko mówiąc, są to „węzły” pola elektrycznego w ete rze. Na uwagę zasługuje fakt, że węzły te są zawsze bardzo cia sno upakowane, a mianowicie w miejscach wypełnionych cząst kami elementarnymi (...). Cała różnorodność dostrzegalnego świata, który na pierwszy rzut oka jawi się jako kolorowy i nie uporządkowany kalejdoskop, najwyraźniej redukuje się do proce sów, które zachodzą w jedynej substancji świata - eterze. Jednak same te procesy, z całą swoją niezwykłą złożonością, opisywane15 15 Mie 2007, s. 634. 142 Wielkie spekulacje są za pomocą harmonijnego układu kilku prostych i matematycz nie przejrzystych praw36. Mie wierzył, że elektron o ładunku dodatnim lub ujem nym był drobną częścią eteru w „szczególnie osobliwym sta nie”. Zobrazował go jako „rdzeń przechodzący w sposób ciągły w chmurę ładunku elektrycznego, która rozciąga się do nieskoń czoności”, dodając, iż poza rdzeniem chmura jest tak rozrze dzona, że „nie można jej wykryć eksperymentalnie w jakikol wiek sposób”37. Oznacza to, że ściśle rzecz biorąc, taki elektron nie posiada określonego promienia, lecz rozciąga się na cały wszechświat. Blisko środka elektronu, wewnątrz jego rdzenia, natężenie pól elektromagnetycznych miałoby ogromną war tość i Mie twierdził, że w takich warunkach nie będą obowiązy wać równania Maxwella. Tym samym zaakceptował możliwość wskazaną przez Wiena w jego liście do Sommerfelda, że równa nia elektrodynamiczne należy zmodyfikować na bardzo małych odległościach. Dokonał tego, wprowadzając układ uogólnio nych równań nieliniowych, które przy stosunkowo dużych od ległościach od rdzenia elektronu sprowadzały się do zwykłych równań Maxwella. Nowe równania zapewniały siłę przyciąga jącą o charakterze elektrycznym, utrzymującą strukturę eterową w całości i niebędącą siłą mechaniczną, tak jak w starej teorii Lorentza. Jako zwolennik unifikacji, Mie chciał włączyć grawitację do swojej teorii elektromagnetyzmu, a raczej wyprowadzić grawi tację z własnych równań elektromagnetycznych. Jego podejście do problemu grawitacji radykalnie się różniło od prezentowa nego przez Einsteina, między innymi dlatego, że nie przyjmo wał zasady równoważności, na której Einstein oparł swą teorię. 36 Mie I907, cyt. za: Vizgin 1994, s. 18 i 27. 37 Mie 19I2, s. 512. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 143 Mie musiał jednak szybko zdać sobie sprawę, że nie jest w sta nie otrzymać grawitacji z wyprowadzonych przez siebie rów nań. Należało ją wyprowadzić za pomocą specjalnych wielko ści i założeń, a przez to jego teoria elektrograwitacyjna nie była bardziej obiecująca niż wcześniejsze teorie Lorentza, Wiena, Gansa i innych. Ku swojej konsternacji musiał przyznać, że „grawitacja (...) okazuje się jak zwykle uparta”38. Pomimo usi łowań nie był również w stanie nadać sensu kwantowi dzia łania. Przykładowo zauważył (tak jak wcześniej Einstein), że pierwiastek kwadratowy stałej Plancka jest „analogiczny” do ładunku elementarnego - czyli że wartość e1jest tego samego wymiaru i mniej więcej tego samego rzędu co Ac - w związku z czym zaproponował interpretację stałej Plancka w katego riach elektrycznych linii sił. Pomysł okazał się naukowo bez wartościowy39. Siłą teorii Mie był jej zakres, ontologiczna oszczędność oraz zaawansowana struktura matematyczna, lecz nie treść fizyczna. Była ona podstawą dosformułowania kilku przewidywań, które niestety nie poddawały się badaniu w realistycznych ekspery mentach. Przykładowo Mie odkrył, że stosunek masy grawita cyjnej i bezwładnej będzie się zmniejszał wraz ze wzrostem we wnętrznego ruchu cząstek tworzących ciało. Oznaczało to, że ten współczynnik, a zatem również stała grawitacji, maleje wraz z temperaturą, a także ze średnią masą atomową ciała. Mie osza cował jednak, że efekt ten mógłby zostać zmierzony wyłącz nie w eksperymentach, które umożliwiłyby wyznaczenie przy spieszenia grawitacyjnego z nierealną dokładnością. Dlatego w rezultacie przyznał, że przewidywanie to, choć teoretycznie 3" Mie 2007, s. 696. y> W liście z 1906 r. Planck zwrócił uwagę, że h jest prawie tego samego rzę du co e2/c, a Einstein uczynił to samo w pracy z 1909 r. Z perspektywy czasu odnosili się do wartości bezwymiarowej stałej struktury subtelnej. Zob. Kragh 2003, s. 397-398. 144 Wielkie spekulacje ciekawe, było „doświadczalnie bezużyteczne”. Ponadto wy wnioskował, że oscylująca cząstka emituje nie tylko poprzeczne fale elektromagnetyczne, ale też podłużne fale grawitacyjne roz chodzące się w eterze. Niestety, ponieważ z jego obliczeń wy nikało, iż stosunek natężeń będzie wynosił około 1 : 10"43, po nownie musiał stwierdzić, że tego przewidywania nie można zweryfikować w żaden realny sposób. Z fundamentalnych równań Mie można było obliczyć ła dunki i masy cząstek elementarnych opisanych przez pewną „funkcję świata” (hamiltonian), co stanowiło znaczący postęp z formalnego punktu widzenia. Postęp ten ograniczał się jednak do programu matematycznego, a monumentalna teoria była wy raźnie jałowa w kwestiach dotyczących rzeczywistej fizyki. Jak Einstein dowcipnie określił teorię Mie, ,jest to znakomita kon strukcja, ale nie wiadomo, czym ją wypełnić”40. Do 1913 roku znano dwie cząstki elementarne, elektron i „elektron dodatni” (znany od 1920 roku jako proton), a ich własności można było zasadniczo otrzymać z tej teorii. Nie stety była to wyłącznie teoretyczna możliwość, gdyż postać funkcji świata występującej we wzorach pozostawała nieznana. Gdyby wartości ładunków i mas tych dwóch cząstek elementar nych były inne, sytuacja byłaby identyczna. Z drugiej strony nie można było również udowodnić, że nie istniały funkcje świata zgodne z istnieniem elektronów i protonów, dlatego też zwolen nicy programu Mie byli w stanie argumentować, że dalszy roz wój może ostatecznie doprowadzić do sukcesu. W każdym ra zie to charakter i cele tej teorii, a nie jej szczegóły, stanowiły magnes dla niektóiych fizyków matematycznych. Jak to wyra ził Hermann Weyl w 1919 roku: „Zatem te prawa natury [Mie] pozwalają nam obliczyć masę i ładunek elektronów oraz masy atomowe i ładunki elektryczne poszczególnych pierwiastków, 40 Einstein do Weyla, 6 czerwca 1922 r„ cyt. za: Vizgin 1994, s. 37. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 145 podczas gdy do tej pory zawsze postrzegaliśmy te pierwotne składniki przyrody jako obiekty z góry obdarzone pewnymi nu merycznymi własnościami. Oczywiście wszystko to jest jedy nie sugerowanym planem działania, dopóki funkcja świata L nie jest znana”41. Celem fundamentalnej i zunifikowanej teorii jest zrozu mienie bogactwa i różnorodności świata w kategoriach poje dynczego schematu teoretycznego. Na przykład masa i ładunek elektronu są zwykle traktowane jako własności warunkowe, czyli wielkości, które po prostu są, jakie są („obiekty zadane”). Nie wynikają jednoznacznie z żadnego prawa fizycznego i dla tego mogłyby prawdopodobnie mieć inne wartości, niż obec nie posiadają. Zgodnie z poglądem zwolenników unifikacji masa i ładunek elektronu, jak też inne własności cząstek i oddziały wań elementarnych, muszą ostatecznie wynikać z teorii - z ko nieczności zmieniają się z wielkości warunkowych w wielkości opisywane prawami. Ponadto również liczba i rodzaje cząstek elementarnych muszą wynikać z teorii; dotyczy to nie tylko czą stek, które są znane w danym momencie, ale także tych, które jeszcze nie zostały odkryte. Jest to bardzo trudne zadanie, szcze gólnie dlatego, że teorie fizyczne nie mogą uniknąć oparcia się na danych empirycznych, a zatem muszą odzwierciedlać stan wiedzy w zakresie nauk doświadczalnych i obserwacyjnych. W 1913 roku znano elektron i proton, stąd Mie ijemu współcze śni konstruowali swoje ujednolicone teorie, zakładając istnienie tych cząstek, jak też znanych oddziaływań elektromagnetycz nych i grawitacyjnych. Imponujące teorie programu elektroma gnetycznego nie miały jednak żadnego rzeczywistego potencjału predykcyjnego. Pomimo wspaniałego i monumentalnego aparatu matema tycznego teoria Mie była dzieckiem swojej epoki całkowicie 41 Weyl 1922, s. 214. 146 Wielkie spekulacje nieprzygotowanym na lawinę nowych cząstek, która nastąpiła w latach trzydziestych XX wieku i później. Nie potrafiła także przewidzieć istnienia nowych sił przyrody - silnych i słabych oddziaływań związanych z procesami w jądrze atomowym. Gdy Mie zmarł w 1957 roku, świat cząstek i sił różnił się radykalnie od świata roku 1912. Był znacznie bardziej złożony i dużo mniej zachęcający do tworzenia tego typu teorii wielkiej unifikacji, których między innymi on był pionierem na początku stulecia. 3.5. Rzeczywistość fizyczna i harmonia matematyczna Teoria Mie okazała się niepowodzeniem, lecz nie pozostała bez znaczenia i wpływu na inne próby stworzenia zunifikowanych teorii, które rozkwitły w następstwie powstania ogólnej teorii względności Einsteina. Była ceniona przez wielu czołowych teo retyków, w tym Hilberta, Pauliego, Sommerfelda, Weyla i Maxa Borna. W swym słynnym podręczniku do teorii względności Max von Laue uznał za stosowne umieścić szczegółowy prze gląd teorii Mie42. Również Weyl szeroko opisał tę teorię w swo jej ważnej monografii Przestrzeń - czas - materia (Raum - Zeit Materie), której pierwsze wydanie pojawiło się w 1918 roku. Choć Weyl nie akceptował teorii Mie, podzielał ambicje i epistemiczny optymizm kolegi z Greifswaldu. „Wystarcza mi od wagi, aby uwierzyć - pisał w 1918 roku - że wszystkie zjawiska fizyczne można wyprowadzić z pojedynczego uniwersalnego prawa wszechświata o największej prostocie matematycznej”43. To podejście podzielał pracujący w Getyndze wielki matematyk David Hilbert, który w 1915 roku przyznał się do czerpania in 42 Laue 1921, s. 239-246. 43 Weyl 1918, s. 335. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 147 spiracji z „dalekosiężnych i oryginalnych koncepcji, za pomocą których Mie stworzył swojąelektrodynamikę”44. Już w roku 1900, podczas słynnego przemówienia w Paryżu, Hilbert określił fizykę fundamentalną jako jeden z nierozwiązanych problemów mate matycznych, któiy wymagał uwagi matematyków. Mniej więcej 10 lat później zaczął prowadzić wykłady dotyczące takich tema tów, jak kinetyczna teoria gazów i teoria promieniowania. Były to dziedziny fizyki, dla których zamierzał stworzyć logiczne i ścisłe podwaliny. Bardziej ogólnie wyrażał wiarę w pełną matematyzację fizyki, którą rozumiał w taki sposób, że fizyka zostanie osta tecznie przekształcona w gałąź czystej matematyki. W wyniku prac Mie, Einsteina i innych badaczy jego własne zaangażowanie w fizykę teoretyczną znacznie wzrosło. Będąc głęboko zaabsor bowany podstawowymi problemami fizyki, a szczególnie teorią grawitacji, Hilbert faktycznie przedstawił podstawowe równania ogólnej teorii względności kilka dni przed Einsteinem45. Swoje ważne przemówienie wygłoszone 20 listopada 1915 roku dotyczące podstaw fizyki zakończył, stwierdzając, że jest przekonany, iż (...) za pomocą przedstawionych tutaj podstawowych równań naj bardziej dyskretne, dziś ukryte procesy zachodzące we wnętrzu atomu zyskają wyjaśnienie, a w szczególności, że musi istnieć globalna możliwość redukcji wszystkich stałych fizycznych do stałych matematycznych - nawet jeśli w ten sposób w całościo wym obrazie pojawi się możliwość, że fizyka zasadniczo stanie 44 Artykuł Hilberta na temat „podstaw fizyki” jest przetłumaczony na język angielski w Renn 2007, t. 4, s. 1003-1017. Prace Hilberta dotyczące podstaw fizyki i jego inspiracja dokonaniami Mie zostały opisane w Corry 1999 i Corry 2004. 4' Nie znaczy to, że pierwszeństwo w odkryciu ogólnej teorii względności na leży bardziej do Hilberta niż Einsteina. Problem pierwszeństwa jest skompli kowany, lecz został wyjaśniony przez historyków nauki. Przystępny opis zło żonej relacji między pracami Hilberta i Einsteina znajduje się w Rowe 2001. 148 Wielkie spekulacje się nauką podobną do geometrii: z pewnością byłby to najwięk szy zaszczyt dla metody aksjomatycznej, która, jak widzieliśmy, korzysta z potężnych instrumentów analizy, a mianowicie z ra chunku wariacyjnego i teorii niezmienników46. Niezależnie od roli Hilberta w sformułowaniu równań ogól nej teorii względności był on głęboko zaangażowany w ten pro ces oraz późniejsze doprecyzowanie owej teorii. Wkrótce po dokonaniu przełomu w zakresie kowariantnej teorii grawitacji Einstein napisał w liście, że „tylko jeden z moich kolegów ją zrozumiał”47. Tym kolegą był Hilbert. Nie będę tutaj omawiał złożonej historii zunifikowanych teorii pola, powstałych na podstawie ogólnej teorii względności, którymi zajmowało się bardzo wielu fizyków i matematyków po roku 1916. Wystarczy powiedzieć, że teoria Einsteina ustano wiła zupełnie nowe ramy dla koncepcji, które próbowały ujed nolicić grawitację oraz elektromagnetyzm i mogły ewentualnie wyjaśnić również zjawiska atomowe i kwantowe48. Takie zunifi kowane teorie oparte na ogólnej teorii względności były bardzo popularne w latach dwudziestych XX wieku, gdy były badane w około 400 pracach. Prawie jedna trzecia wszystkich artykułów na temat teorii względności dotyczyła aspektów zunifikowanych teorii pola. Hilbert był jednym z pierwszych i najbardziej po ważnych zwolenników relatywistycznej unifikacji. W 1924 roku opublikował najważniejszy artykuł na ten temat, i to - co charak terystyczne - w czasopiśmie matematycznym, a nie fizycznym. Charakter ambitnej i aksjomatycznie uporządkowanej teo rii Hilberta może ilustrować cykl wykładów dotyczących pod stawowych problemów fizyki, które wygłosił w Hamburgu rok 46 Renn 2007, t. 4, s. 1015. 47 Einstein do Heinricha Zanggera, 26 listopada 1915 r., w Einstein 1998, s. 205. 41 Istnieje bardzo wiele pozycji na temat tej klasy teorii. Pomocny przegląd znajduje się w Goenner 2004. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 149 wcześniej. Zaproponował tam stworzenie ogólnej fizyki, opiera jąc się na tak zwanych równaniach świata. Jak twierdził, równa nia te pozwolą na wywnioskowanie wszystkich znanych (i jesz cze nieznanych) faktów doświadczalnych bez konieczności wprowadzenia ograniczeń warunkowych lub warunków począt kowych. Wśród omawianych przez niego przykładów znalazła się najnowsza teoria atomu Bohra i jej rozszerzenie na opis ato mowej struktury wszystkich pierwiastków układu okresowego. Hilbert najwyraźniej błędnie zrozumiał teorię złożonych ato mów Bohra jako fundamentalną i kompletną, nie uwzględnia jąc jej na wpół klasycznego i eklektycznego charakteru. Uwa żał, że jest możliwie „wywnioskowanie najgłębszych własności materii, w tym charakterystycznych właściwości pierwiastków chemicznych, wyłącznie z praw opisujących pole i ruch oraz traktując je jako konieczne wnioski logiczne [denknotwendige Folgerungen]”49. Nie tylko mikroświat można było w pełni wytłumaczyć za pomocą praw fizyki matematycznej, ale ostatecznie także makroświat: „Również istnienie i ciągła ewolucja gwiazd wydają się w ostateczności konsekwencją równań świata”. Choć nie wspomniał o kosmologii jako o dziedzinie zastosowań, Hilbert poważnie wierzył, że jego równania świata staną się podstawą teorii wszystkiego. Jak powiedział słuchaczom w Hamburgu: Jeśli te równania świata, a wraz z nimi ramy koncepcji, będą kom pletne i będziemy wiedzieć, że w pełni odzwierciedlają rzeczywi stość, to wówczas zasadniczo wystarczy użyć myślenia i koncep cyjnego wnioskowania, aby zdobyć całość wiedzy fizycznej; w tej kwestii Hegel słusznie twierdził, że wszystkie zjawiska przyrod nicze można wywnioskować z pojęć. Z rękopisu Hilberta do jego wykładów z 1923 r„ przytoczonego w Sauer i Majer 2009, s. 414. Dwa następne cytaty pochodzą z tego samego źródła, s. 415 i 423. 150 Wielkie spekulacje 3. Elektrodynamika jako światopogląd 151 Były to znaczące słowa, lecz nie odpowiadały rzeczywi stości w większym stopniu niż równie górnolotne sformułowa- nia wcześniejszych naukowców w rodzaju Hicksa (1895) i Mie (1907). Mimo to podobne wypowiedzi wkrótce zostały sformu łowane przez Eddingtona, a następnie przez kilku innych fizy ków teoretycznych. Na początku XX wielu zaawansowana matematyka była bardzo ważną częścią prób sformułowania fundamentalnej i zu nifikowanej ramy dla całej fizyki, czego przykładem były teorie Mie i Hilberta. Niemieccy naukowcy byli szczególnie podatni na wpływ starej doktiyny „wstępnie ustanowionej harmonii” po między matematyką i fizyką. Za ojców tej koncepcji tradycyj nie uważa się Pitagorasa i Platona, została ona jednak wyraźnie określona zwłaszcza przez Leibniza51. Według współczesnego sformułowania koncepcji Leibniza matematyczne formy i syme trie są prawdziwymi przewodnikami w odkrywaniu praw przy rody. Była to doktryna akceptowana przez większość czołowych niemieckich matematyków i fizyków teoretycznych, choć często w nieco różniących się wersjach. Matematyk pracujący w Getyndze i kolega Hilberta, Min kowski, był przekonany, że matematyka była królewskim trak tem wiodącym do postępu w fizyce. W cyklu wykładów wygło szonych w 1904 roku stwierdził, że „dzięki osobliwej, wstępnie ustanowionej harmonii okazało się, iż próbując logicznie zbadać istniejący gmach matematyki, jesteśmy kierowani na tę samą ścieżkę, na którą prowadzi próba odpowiedzi na pytania wy nikające z faktów dostarczanych przez fizykę i astronomię”52. Zetknięcie Minkowskiego z teorią względności Einsteina tylko umocniło go w przekonaniu, że zadaniem fizyków jest weryfi kacja faktycznego istnienia prawd już ustalonych przez mate matyków. Wyraził to dość aroganckie przekonanie w wykładzie z 1907 roku: 50 Paul Gruner, Das moderne physikalische Weltbitd und der christliche Glaube (Berlin: Furche, 1922); nieznacznie różni się od cytowania w Goenner 2001, s. 5. 51 Opis znaczenia tej koncepcji dla niemieckich matematyków i fizyków w początkach XX wieku znajduje się w Pyenson 1982. 52 Cyt. za: Corry 2004, s. 186. Przypomina to nieco koncepcję fizyki apriorycznej, lecz Hilbert utrzymywał, że prawdziwość równań świata i logiczna struktura tej teorii musi zależeć od obserwowanych faktów. Wy raźnie zaprzeczył temu, jakoby równania świata miały charak ter aprioryczny. Ostatecznym celem ambitnego programu Hilberta i kilku innych niemieckich matematyków i fizyków było osadzenie ca łej fizyki na możliwości dedukcyjnego wyprowadzenia z pod stawowego prawa, które miało charakter pewnika. Oczekiwano, że z takiego pojedynczego prawa przyrody wynikną wszystkie zjawiska fizyczne, podobnie jak twierdzenia geometryczne mają swoje źródło w podstawowych pewnikach i prawach wniosko wania. Program ten przez pewien czas przypadł do gustu za równo naukowcom, jak i osobom spoza środowiska naukowego. W 1922 roku niemiecki autor opisał ostateczną teorię, którą two rzyli jego rodacy: Jak zdają się wskazywać obecne próby Mie, Hilberta, Weyla i in nych naukowców, fizyka znajduje się na drodze do ustanowienia określonych wszechstronnych, matematycznie niezmienniczych podstawowych praw, czegoś na kształt formuły świata, z której poprzez logiczną konsekwencję można teoretycznie zbudować kompletny gmach świata - od atomu czy nawet jego jądra aż do układu Drogi Mlecznej, ze wszystkimi właściwymi im szczegó łami. Jest rzeczą oczywistą, że brzmi to jak odległa muzyka sfer; jednak zasadniczo istnieje możliwość, że świat można pojąć teo retycznie, dokładnie tak jak w geometrii50. 152 Wielkie spekulacje Do pewnego stopnia fizyk potrzebuje wymyślać te koncepcje [teorii względności] od podstaw i musi mozolnie wycinać sobie ścieżkę w dziewiczej, mrocznej puszczy; w tym samym czasie matematyk podróżuje w pobliżu po doskonale zaprojektowanej drodze (...). Stanie się oczywiste, ku chwale matematyków i bez granicznemu zdumieniu reszty ludzkości, że matematycy stwo rzyli wyłącznie za pomocą własnej wyobraźni wspaniałą dzie dzinę, której istnienie jest w najwyższym stopniu rzeczywiste i doskonałe, i to bez takiego zamiaru z ich strony53. Choć w ten sposób Minkowski stwierdził, że twórcza moc fizyki wypływa z matematyki, jednocześnie przyznał, iż osta tecznym sędzią teorii fizycznej, pojmowanej jako teoria zjawisk naturalnych, musi być eksperyment. Einstein, który w młodości skłaniał się ku wersji empiryzmu Macha, przekonał się do wstępnie ustanowionej harmonii pomiędzy fizyką i matematyką, która była bliska wersji Minkowskiego. Nie zawsze podtrzymywał ten pogląd, lecz jego praca nad ogólną teorią względności przekonała go o kluczo wej roli matematyki w budowie teorii fizycznych. Jak napisał do Sommerfelda w 1912 roku: „Nigdy wcześniej w moim życiu nie pracowałem nawet w przybliżeniu tak intensywnie, a dzięki temu nabrałem ogromnego szacunku dla matematyki, której bar dziej subtelne części traktowałem do tej pory, ze względu na moją niewiedzę, jako czysty luksus”54. Pomimo jednak ogrom nego szacunku Einstein był w tamtym czasie w pełni świadomy, że matematyczne właściwości teorii nie przekładają się auto matycznie na prawdziwość na gruncie fizycznym. W tym sa mym roku skomentował nową czterowymiarową teorię grawi 53 Minkowski 1915, s. 927-928. Minkowski zmarł w 1909 r. Artykuł napisany na podstawie notatek z wykładu, które pozostawił przed śmiercią, został opu blikowany przez Sommerfelda. 54 List z 29 października 1912 r., cyt. za: Einstein 1993, s. 505. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 153 tacji zaproponowaną przez Abrahama, twierdząc, że „wzięła się z powietrza, czyli stanowi nic innego jak matematycznie piękne rozważania i jest całkowicie nie do utrzymania”55. Piękno ma tematyczne to jedna rzecz, podczas gdy prawda fizyczna może być całkiem inną kwestią. W wykładzie wygłoszonym na forum Pruskiej Akademii Nauk w 1921 roku Einstein zastanawiał się nad tym, w jaki sposób „matematyka, będąca przecież wytworem myśli ludz kiej, która jest niezależna od doświadczenia, tak wspaniale od zwierciedla rzeczywiste obiekty”. Einstein był pod wrażeniem siły i pewności matematyki, ale nie wysnuwał z tego wnios ku, że przyroda była matematyczna w jakimkolwiek podstawo wym znaczeniu: „Jeśli twierdzenia matematyki odnoszą się do rzeczywistości, nie są pewne; a jeśli są pewne, nie odnoszą się do rzeczywistości”56. Przy wielu późniejszych okazjach wyja śniał swoje ówczesne racjonalistyczne credo, jakoby podsta wowa struktura teorii fizycznej musiała być utworzona z kon cepcji matematycznych, nie biorąc pod uwagę rozważań natuiy doświadczalnej. Był to ważny przekaz wykładu imienia Her berta Spencera, który wygłosił w Oksfordzie w 1933 roku. Bio rąc pod uwagę, że niektóre teorie fizyczne, takie jak mechanika klasyczna, bardzo dobrze zgadzają się z doświadczeniem, a jed nak nie docierają do „korzeni rzeczywistości”, czy doświadcze nie w ogóle może wskazać drogę do prawdy? Zdaniem Einstei na - nie, ale istniała inna, „prawdziwa droga”: Nasze dotychczasowe doświadczenie usprawiedliwia nas w wie rze, że przyroda jest realizacją najprostszych możliwych kon cepcji matematycznych. Jestem przekonany, że możemy odkryć za pomocą czysto matematycznych konstrukcji pojęcia i prawa " List do Michele Besso z 26 marca 1912 r„ cyt. za: Einstein 1993, s. 438. 56 Einstein 1982, s. 233. Temat zmiennego podejścia Einsteina do epistemicznego potencjału matematyki został opisany w Norton 2000. 154 Wielkie spekulacje łączące je z sobą, które dostarczają klucza do zrozumienia zjawisk przyrody. Doświadczenie może sugerować właściwe pojęcia ma tematyczne, ale na pewno nie można ich z niego wywnioskować. Oczywiście doświadczenie pozostaje bezsprzecznie jedynym kry terium fizycznej użyteczności konstrukcji matematycznej. Zasada stwórcza znajduje się jednak w matematyce. W pewnym sensie uznaję za prawdziwe stwierdzenie, że czysta myśl może uchwy cić rzeczywistość, do czego dążyli starożytni57. Takie i podobne stwierdzenia odzwierciedlają racjonali styczne podejście do metod naukowych i tworzenia teorii na ukowych. W liście do węgierskiego fizyka Comeliusa Lanczosa napisał: „Dzięki problemowi grawitacji stałem się wierzącym racjonalistą, czyli kimś, kto poszukuje jedynego wiarygodnego źródła prawdy w matematycznej prostocie”58. Lecz Einstein ni gdy nie stał się racjonalistąw mocniejszym znaczeniu, w którym rozważania matematyczne powinny również decydować o słusz ności teorii fizycznych. Gdy dochodziło do tej kluczowej kwe stii, nigdy nie zachwiał się w swojej wierze, że „doświadczenie pozostaje bezsprzecznie jedynym kryterium fizycznej użytecz ności (...)”. We wczesnych próbach stworzenia ujednoliconej teorii fi zyki fundamentalnej teoria kwantowa stanowiła słaby punkt. Ogólnie uznawano, że w jakiś sposób kwant działania musi zostać wprowadzony do teorii względności, grawitacji i elek tromagnetyzmu, lecz próby dokonania tego były sporadyczne, połowiczne i nieskuteczne. Większość zwolenników unifika cji wolała ignorować kłopotliwe kwanty. Dokładnie w momen cie, gdy Einstein prezentował swoją kowariantną ogólną teorię względności w Berlinie, Sommerfeld w Monachium zakończył 57 Einstein 1982, s. 274. 58 List z 24 stycznia 1938 r., cyt. za: Jammer 1999, s. 40. 3. Elektrodynamika jako światopogląd 155 pracę nad niezwykłą syntezą teorii kwantowej Bohra i szcze gólnej teorii względności. Dzięki wprowadzeniu wyrażenia Lorentza-Einsteina na m{v) do teorii atomu Bohra, odkrył po dłu gich obliczeniach wyrażenie na poziomy energetyczne atomu wodoru, które doskonale zgadzało się z doświadczeniami spek troskopowymi przeprowadzonymi przez jego kolegę Friedri cha Paschena z Uniwersytetu w Tybindze59. Przede wszystkim magiczny wzór [Zauberformel] Sommerfelda wyjaśniał strukturę subtelną linii widmowych wodoru, które to zjawisko umknęło Bohrowi jako efekt relatywistyczny. Wprowadził również nową bezwymiarową wielkość do fizyki, stałą struktury subtelnej, której w końcu przyjdzie zająć główne miejsce w fizyce funda mentalnej i do której wrócę w jednym z następnych rozdziałów. Einstein natychmiast zrozumiał znaczenie pracy Som merfelda. „Dla mnie Pańskie badania widm należą do najpięk niejszych doświadczeń w fizyce - napisał do swojego kolegi z Monachium. - Tylko dzięki nim koncepcje Bohra stały się cał kowicie przekonujące. Gdybym tylko wiedział, jak maleńkich śrubek Bóg użył w tym celu!”60 Jednak ani Einstein, ani inni zwolennicy unifikacji w tamtym czasie nie dostrzegli związku struktury subtelnej ze swoim własnym celem. (Zarówno Mie, jak i Hilbert nie odnieśli się do pracy Sommerfelda). Ich zda niem synteza szczególnej teorii względności i atomu kwanto wego ograniczała się do zbyt wąskiego zakresu. 59 Rzeczywista historia związku między teorią i doświadczeniem była bar dziej złożona. Opis tej historii i odniesień do przypadku struktury subtelnej widm wodoru i helu znajduje się w Kragh 1985. Słynny wzór Sommerfelda opisujący stałą struktury subtelnej został wyprowadzony przed powstaniem mechaniki kwantowej i nie korzystał z pojęcia spinu elektronu, które zo stało wprowadzone kilka lat później. Mimo to był on identyczny z później szym wzorem otrzymanym z relatywistycznej mechaniki kwantowej Diraca uwzględniającej spin. Próba rozwiązania „zagadki Sommerfelda” jest opisana w Biedenham 1983. w Einstein do Sommerfelda, 3 sierpnia 1916 r., cyt. za: Einstein 1998, s. 328.