Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

Чтение книги онлайн.

СКАЧАТЬ i już posiadanej wiedzy, m.in. o ruchu Ziemi wokół Słońca, obliczył prędkość światła. Badania nad interferencją światła nie służyły sprawdzeniu teorii falowej, ale na podstawie teorii falowej i wyników tych badań ustalono, jakie są – nieznane wcześniej – długości fal świetlnych. I tak dalej.

      Kluczowe dla zrozumienia postaw XIX-wiecznych badaczy jest to, że dla teorii m-falowej nie było w tamtym czasie alternatywy. A przede wszystkim nie było, co jeszcze ważniejsze, alternatywy dla mechaniki klasycznej. To mechanika kształtowała sposoby, w jakie ówcześni fizycy spostrzegali zjawiska i o zjawiskach myśleli. Była programem wiodącym ich do badań i badania te ukierunkowującym – a nie czymś, co można kwestionować. Co więcej, zaangażowani w badania nad światłem naukowcy nie zdawali sobie sprawy z wpływu, jaki na ich postrzeganie i myślenie wywierała mechanika klasyczna.

      Wszystkie hipotezy, które miały wyjaśnić nieistnienie świetlnych fal podłużnych, aberrację gwiezdną i brak wpływu ruchu Ziemi na przebieg zjawisk optycznych na jej powierzchni, należały – mimo dziwaczności niektórych – do obrazu świata mechaniki klasycznej. To prawa mechaniki podpowiadały np., że fale podłużne nie będą powstawać przy takich a takich własnościach sprężystych eteru. Fresnel, Cauchy i MacCullagh nie tyle wymyślali – w irracjonalnym wzlocie wyobraźni – swoje hipotezy, ile wybierali tę czy inną z możliwości dopuszczalnych przez prawa mechaniki. (Można powiedzieć, że odpowiadali oni na pytanie generowane przez ówczesną wiedzę w sensie logiki pytań Andrzeja Wiśniewskiego (1995)).

      Prawie wszyscy fizycy są dziś bardzo mocno przekonani, że klasyczne wyjaśnienia omówionych powyżej „anomalii” nie istnieją. Źródłem tego przekonania nie jest to, że od blisko dwóch stuleci takowe nie zostały znalezione (choć pseudonaukowcy nadal zalewają rynek idei propozycjami wyjaśnienia eksperymentu Michelsona-Morleya z 1887 przy użyciu praw mechaniki Newtona), ale to, że uzyskano ich w pełni zadowalające wyjaśnienia w ramach innego programu badawczego, niezgodnego z mechaniką klasyczną. Jak przekonująco wykazał kiedyś Paul Feyerabend (1963), do „falsyfikacji” teorii dochodzi nie wtedy, gdy wyniki eksperymentów zaprzeczają wynikającym z niej przewidywaniom, ale gdy te wyniki zostają wyjaśnione w ramach teorii konkurencyjnej, z tamtą niezgodnej. (Feyerabend twierdzi w związku z tym, że postępowi wiedzy służy mnożenie alternatywnych teorii, co z kolei jest zupełnie obce ujęciu prezentowanemu w tej książce).

      Powstaje pytanie, jak mogło dojść do sformułowania tego konkurencyjnego programu, mimo że mechanika klasyczna wywierała bezwzględną presję na myślenie naukowców przełomu XIX i XX w. Jak można pomyśleć coś, czego pomyśleć się nie daje? Odpowiem na to tak – co stanie się jasne w miarę postępu rozważań – że nowe możliwości myślowe muszą, w pewnym ważnym sensie, pojawić się poza umysłami zaangażowanych w badania jednostek. Przekonamy się zaraz, że tych idei, które umożliwiły sformułowanie szczególnej teorii względności, nikt nie stworzył świadomie, w (irracjonalnym?) wzlocie intuicji twórczej. System fizyki, wypracowany wspólnotowo, nie dojrzał jeszcze do rozwiązania problemu – a zatem wyobraźnia poszczególnych badaczy była bezsilna. Nowe możliwości myślowe, o czym się wkrótce przekonamy, pojawiły się w sposób niezamierzony i zupełnie nieoczekiwany. Stało się to zaś w trakcie badań nad zjawiskami, których początkowo w ogóle nie kojarzono ze światłem. Prowadzono te badania równolegle z tymi, o jakich opowiedziano powyżej. O jakie badania chodzi, wyjaśnia tytuł artykułu, w którym Albert Einstein ogłaszał podstawy szczególnej teorii względności: „O elektrodynamice ciał w ruchu”. Przyjrzyjmy się więc historii powstania elektrodynamiki, znów zaczynając od pierwszych lat XIX w.

      Rozdział 3

      NARODZINY ELEKTRODYNAMIKI MAXWELLA I ELEKTROMAGNETYCZNEJ TEORII ŚWIATŁA

      3.1. Odkrycie magnetycznych własności prądów

      W trakcie badań eksperymentalnych prowadzonych do pierwszych lat XIX w. wciąż stwierdzano, że między ciałami naelektryzowanymi a znajdującymi się w ich sąsiedztwie magnesami siły nie działają. Wprawdzie żeglarze donosili, że igły kompasów czasem ulegają przebiegunowaniu, gdy w pobliżu uderza piorun, zauważono też, że po uderzeniu pioruna niektóre przedmioty z żelaza wykazują własności magnetyczne – ale uderzenie pioruna to zjawisko przypadkowe i chwilowe, nie sposób więc było poddać wspomnianych efektów systematycznym badaniom. Franklin magnetyzował stalowe igły, rozładowując przez nie butelki lejdejskie, ale wyrażał przekonanie, że elektryczność i magnetyzm nie mają ze sobą nic wspólnego. (Nie mylił się, jak dziś uważamy, co do tego, że gwałtowny przepływ prądu przez igłę sam przez się jej nie magnetyzuje).

      Sytuacja zmieniła się, gdy w 1800 Alessandro Volta, zainspirowany badaniami Luigiego Galvaniego, zbudował pierwsze stosy. Umożliwiło to badania nad stałymi prądami elektrycznymi, a te szybko zaowocowały ważnymi odkryciami. Już w tym samym roku William Nicholson i Anthony Carlisle dokonali elektrolizy wody. W tym miejscu szczególnie interesujące jest to, że w 1801 Nicholas Gautherot, a nieco później Laplace i Biot zauważyli, iż dwa równoległe i umieszczone blisko jeden drugiego przewody, połączone z biegunami stosu Volty, przywierają do siebie. Jednak te obserwacje zostały zlekceważone zarówno przez „odkrywców”, jak i przez czytelników komunikatu Gautherota. W 1819 Biot, kończąc obszerny artykuł o magnetyzmie dla Edinburgh Encyclopedia, stwierdzał, że choć zachodzą analogie między prawami dla sił elektrycznych i magnetycznych, to

      […] niezależność, jaka zachodzi między działaniami [magnetycznymi] a działaniami elektrycznymi, nie pozwala nam przypuścić, że mają one tę samą naturę co elektryczność (Biot 1819).

      Inni jednak szukali jakiegoś związku między elektrycznością i magnetyzmem. W 1805 Jean-Nicholas Hachette i Charles-Bernard Désormes umieścili stos Volty na pływaku w zbiorniku z wodą, by dowiedzieć się, czy ustawi się on jakoś w stosunku do magnetycznego południka Ziemi – niczego jednak nie zaobserwowali.

      Wreszcie w 1820 ukazał się artykuł o działaniu „konfliktu” elektrycznego na magnesy. Jego autor, Hans Ørsted, z pierwszego wykształcenia farmaceuta, uzyskał w 1799 doktorat na podstawie pracy z metafizyki przyrody Kanta. Filozoficznie przekonany, że w przyrodzie wszystko wiąże się ze wszystkim, a pozornie rozbieżne zjawiska są przejawami ukrytej, jednoczącej je zasady, przez wiele lat poszukiwał eksperymentalnie ukrytych związków między różnego typu zjawiskami. We Francji i Niemczech słuchał wykładów z fizyki i chemii, a w Berlinie m.in. z dynamicznej Naturphilosophie Schellinga. Zaprzyjaźnił się wtedy ze wspomnianym już Ritterem, poszukiwaczem ukrytej za przeciwieństwami jedności bytu. Ritter twierdził m.in., że jest w stanie wytworzyć elektrolizę za pomocą samych magnesów, bez użycia stosu Volty, i że zaobserwował oddziaływanie między stosem Volty, z którego nie płynął prąd, a magnesem. Ørsted początkowo te „odkrycia” potwierdzał (po latach pisał jednak, że Rittera zwiodły przypadkowe zbiegi okoliczności). Wkrótce po przedwczesnej śmierci przyjaciela Ørsted opublikował pracę Ansichten der chemischen Naturgesetze (1812), pełną niejasnych spekulacji na temat ukrytych związków między elektrycznością, ciepłem, światłem, magnetyzmem i reakcjami chemicznymi. Eksperymentalnie starał się, bez skutku, znaleźć te związki przez następne osiem lat.

      Wreszcie spróbował odtworzyć w laboratorium wspomnianą sytuację relacjonowaną przez żeglarzy. СКАЧАТЬ