Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

Чтение книги онлайн.

СКАЧАТЬ wówczas dla wszystkich oczywiste – praw P_m+1 i P_m+2, określających zależność sił elektrycznych i magnetycznych od odległości. A że nie brakowało niczego więcej, P_m+1 i P_m+2 można było – w omówionym przed chwilą sensie – wywnioskować z koniunkcji P₁, P₂, …, P_m, W₁, W₂, …, W_n, O₁, O₂, …, O_o. O sukcesie decydowała nie wyobraźnia twórcza, ale opanowanie zastanej wiedzy, rzetelność eksperymentalna i umiejętność przeprowadzania obliczeń.

      I jeszcze jedno. Przez cały wiek XVIII i większą część wieku XIX trwały spekulacje na temat natury elektryczności i magnetyzmu. Jedni powiadali, że elektryczność jest płynem, którego nadmiar objawia się jako elektryzacja dodatnia, a niedomiar jako ujemna; inni twierdzili, że płyny elektryczne są dwa. Analogiczne twierdzenia formułowano na temat jednego lub dwóch płynów magnetycznych, dodając zwykle – jako że bieguny magnetyczne występują zawsze parami – iż uwięzione są one wewnątrz mikroskopijnych komórek. Niektórzy pisali o materii elektrycznej stale wypływającej z ciał naelektryzowanych i wpływającej do nich. Później, o czym będzie jeszcze mowa w tym rozdziale, spekulowano, że elektryczność i magnetyzm są stanami eteru wypełniającego przestrzeń. Te i podobne poglądy nie zostały wywnioskowane z zastanej wiedzy i wyników eksperymentów, należy zatem uznać je za wytwory wyobraźni twórczej. Takich wytworów może być niezliczenie wiele – i do nich należy odnieść tezę o niedookreśloności teorii przez dane. Tyle że żaden ze wspomnianych poglądów nie wniósł niczego do wiedzy o elektryczności i magnetyzmie, a dziś traktujemy je jedynie jako ciekawostki historyczne.

      Morał z tego jest taki, że nie da się wyprzedzić swego czasu, wypełnić luk w naszej wiedzy wytworami wyobraźni. W nauce należy postępować krok za krokiem – również, jak się poniżej okaże, w okresach rewolucyjnych – a za każdym razem twierdzić tylko tyle, ile wynika z zastanej wiedzy i rezultatów eksperymentów.

      Rozdział 2

      MECHANICZNA FALOWA TEORIA ŚWIATŁA I JEJ NIEROZWIĄZYWALNE (?) PROBLEMY

      2.1. Pierwsze – mechaniczne – teorie światła

      Na początku XIX w. o świetle wiedziano, że w ośrodkach jednorodnych rozchodzi się po liniach prostych, znano prawa odbicia i załamania, wiedziano, że współczynnik załamania różni się nieco dla różnych barw, a światło białe jest mieszaniną barw tęczy. Znano podwójne załamanie w szpacie islandzkim. Opisano zjawiska dyfrakcji. Z dobrym przybliżeniem znano prędkość światła.

      Z modelu Kopernika wynikało, że w cyklu rocznym będziemy obserwowali paralaksę gwiezdną. Poszukując jej, James Bradley odkrył w 1728 coś innego: aberrację światła gwiazd, będącą skutkiem – jak zrozumiał – wektorowego zsumowania prędkości światła i prędkości orbitalnego ruchu Ziemi.

      Eksperymentalnym badaniom nad światłem towarzyszyły spekulacje na temat jego natury. Jedni twierdzili, że jest ono zjawiskiem falowym, inni, że jest strumieniem mikroskopijnych korpuskuł. W XVIII w. zdecydowaną przewagę zyskała teoria korpuskularna. Ruch korpuskuł świetlnych, tak jak wszystko inne, miał podlegać prawom mechaniki (np. załamanie wyjaśniano siłami, jakie miały działać na korpuskuły świetlne na granicy ośrodków), ale konkretnych rezultatów w tym zakresie nie uzyskano.

      W 1800 William Herschel, w trakcie badań nad cieplnymi własnościami widma słonecznego, odkrył „promienie cieplne”. Pobudzony tymi wieściami Johann W. Ritter, zwolennik romantycznej Naturphilosophie, podjął poszukiwania przeciwnie – chłodząco – działających promieni po przeciwnej stronie widma („uniwersalny dualizm” miał być, według Schellinga, zasadą wszelkich wyjaśnień przyrodniczych). Nie znalazł ich, ale przy tej okazji stwierdził, że chlorek srebra najszybciej ciemnieje, gdy wystawiony jest na działanie „chemicznych promieni” znajdujących się poza fioletową granicą widma. Te same promienie odkrył niezależnie William Wollaston. Choć wkrótce ustalono eksperymentalnie, że jedne i drugie promienie, podobnie jak światło, odbijają się i załamują, to panujące wtedy teoria cieplika i korpuskularna teoria światła nie pozwalały stwierdzić, że mamy do czynienia z promieniami tej samej natury. Trzeba było trzydziestu lat badań, aby promienie cieplne i chemiczne stały się promieniami podczerwonymi i nadfioletowymi.

      2.2. M-falowa teoria światła

      Thomas Young w 1799, a Augustin Fresnel w 1815 ogłosili prace, w których wskrzesili falową teorię światła. Wskazywali na analogie między własnościami światła a tym, co widziano, patrząc m.in. na zachowanie fal na powierzchni wody. Na przykład fale wodne rozchodzą się zawsze z taką samą prędkością – podczas gdy dla zwolenników korpuskularnej teorii pozostawało tajemnicą, dlaczego np. Słońce i świeca wyrzucają z siebie świetlne drobinki zawsze z identycznymi prędkościami. Fale na wodzie uginają się na brzegu przeszkody, podobnie jak światło omijające krawędź przedmiotu. A wreszcie na powierzchni wody można zaobserwować interferencję fal, analogiczną do obrazów, jakie tworzy światło np. odbite od miejsca, gdzie soczewka styka się ze szklaną płytką. Prosta analiza tych obrazów pozwoliła określić długości fal świetlnych, różne dla różnych barw. Gdy dodatkowo Fresnel, sprowokowany uwagą Poissona, w 1818 zademonstrował, że w środku cienia niewielkiej tarczy pojawia się jasna plamka, falowa teoria światła zyskała szybko powszechną akceptację.

      Oczekiwano, że fale świetlne, podobnie jak wszystko inne, podlegają prawom mechaniki klasycznej. Jest zatem coś, w czym te fale powstają, a co nazwano „eterem”. Ponieważ światło dociera do nas od gwiazd, prowadziło to do wniosku, że eter wypełnia całą przestrzeń (z wyjątkiem może miejsc zajętych przez ciała nieprzezroczyste).

      Kuhn pisze o „niewidoczności rewolucji”, biorącej się stąd, że naukowcy nieświadomie interpretują dokonania swoich poprzedników tak, jak gdyby borykali się oni z tymi problemami badawczymi, jakie by podejmowali, pracując w ramach współcześnie panującego stylu myślowego. Jednym z takich rozpowszechnionych nieporozumień jest traktowanie dwóch falowych teorii światła – mechanicznej i elektromagnetycznej – rozwijanych w XIX w. niczym jednej. Na czym różnica między nimi polegała, stanie się jasne poniżej, od razu zacznę natomiast określać tę pierwszą mianem „m-falowej”.

      2.3. „Anomalie” i „hipotezy ad hoc”

      Akurat gdy rodziła się m-falowa teoria światła, dokonano dwóch odkryć, których nigdy – jak dziś wiemy – nie udało się włączyć w zakres jej udanych zastosowań. Dochodziły do tego problemy z wyjaśnieniem wspomnianego już zjawiska aberracji gwiezdnej. Przyjrzyjmy się tym trudnościom i reakcjom na nie.

      W 1808 Étienne Louis Malus – który wcześniej spekulował, że światło jest związkiem tlenu i cieplika, o różnych proporcjach dla różnych barw – odkrył zjawisko polaryzacji światła. Malus, Laplace i Jean-Baptiste Biot przedstawili hipotetyczne wyjaśnienia tego zjawiska w ramach teorii korpuskularnej, których nie będziemy tu omawiać (słowo „polaryzacja” wzięło się stąd, że wyposażali korpuskuły świetlne w bieguny). Natomiast David Brewster, François Dominique Arago i Biot stwierdzili, na podstawie systematycznych badań eksperymentalnych, że promienie spolaryzowane w tej samej płaszczyźnie interferują ze sobą, a spolaryzowane СКАЧАТЬ