[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Albert Einstein

ROZDZIAŁ PIERWSZY

Uprzedzenia, które trzeba przezwyciężyć

W roku 1955 teoria względności ukończyła pół wieku. Dziś fizycy uważają ją za teorie klasyczną, a czasy, w których była przedmiotem dyskusji i ataków, wydają się bardzo odległe. A przecież nie tak dawno, bo w roku 1921, znakomity fizyk von Laue pisał w przedmowie do swego podręcznika teorii względności:

""Wielbiona i obrzucana obelgami - oto jaka jest dziś teoria względności. Największych krzykaczy po obu stronach łączy przy tym to, że rozpaczliwie mało z niej rozumieją".

Dziś hałas ucichł, a teoria względności - otoczona szacunkiem - stała się kamieniem węgielnym nowoczesnej fizyki. Jej twórca określany jest mianem największego uczonego naszych czasów i jednego z największych uczonych wszystkich czasów. Nadszedł czas, by spojrzeć wstecz, przyjrzeć się rozwojowi wprowadzonych przez Einsteina rewolucji, zobaczyć, jaki wpływ wywarły one na naszą epokę.

Zanim to uczynimy, spróbujmy się uwolnić od przesądów powtarzanych po tysiąc razy z ust do ust, rozpowszechnianych przez radio i prasę.

Jeden z takich przesądów głosi, że zrozumienie idei Einsteina jest dla przeciętnego śmiertelnika rzeczą nie-

możliwą. Einstein - to kapłan wiedzy matematycznej, a takich, którzy go naprawdę rozumieją, jest nie więcej niż dwunastu.

Zwalczanie przesądów nie jest rzeczą łatwą. Nie będę nawet twierdził, że pogląd, iż tylko dwanaście osób rozumie teorię względności, jest fałszywy. Jest on równie niedorzeczny jak stwierdzenie: "Tylko dwanaście osób na świecie naprawdę rozumie Beethovena".

Matematyka i fizyka matematyczna są, podobnie jak muzyka, dziedzinami twórczości artystycznej. Podobnie jak w muzyce, musimy w nich odróżnić technikę od idei. Kto nie opanował odpowiedniej techniki, nie zagra dobrze Beethovena ani nie napisze pracy naukowej o teorii względności. A jednak - podobnie jak muzyka Beethovena może dostarczyć najgłębszych wzruszeń człowiekowi, który nie zna nut, tak i zrozumienie podstawowych idei teorii względności może stać się źródłem wielkiej radości nawet dla człowieka nie obeznanego z techniką matematyczną.

Wiedza nie zna jednego poziomu poznawczego;

takich poziomów jest wiele. Być może udałoby się nam wybrać poziom tak wysoki, że tylko nieliczni mogliby go osiągnąć. Nieliczni, to znaczy ilu? Pewien mój kolega - wybitny matematyk - wyraził poważną wątpliwość, czy sam Einstein jest jednym spośród trzech ludzi, którzy najlepiej rozumieją Einsteina.

Zazwyczaj uważa się, że człowiek albo zna matematykę, albo jej nie zna. Prawda jest jednak inna: istnieją rozmaite poziomy techniki matematycznej. Od ich opanowania zależy poziom poznawczy, jaki może osiągnąć człowiek studiujący teorię względności.

Na ogół odróżnia się szczególną i ogólną teorię względ-

ności. Opanowanie ogólnej teorii względności wymaga głębszej znajomości matematyki niż opanowanie teorii szczególnej. Techniki tej można się jednak nauczyć i z biegiem czasu ludzi wprowadzonych w tajniki matematycznej teorii względności będzie coraz więcej.

W zakresie badań naukowych - setki uczonych pisały prace na temat teorii względności i zagadnień z nią związanych. Jest ona, jak każda inna dziedzina wiedzy, otwartą księgą. Liczba nowych prac z tej dziedziny - choć znacznie mniejsza niż w dziedzinie teorii kwantów - jest jednak pokaźna. W zakresie nauczania - co roku opuszczają mury uniwersytetów nowi studenci znający podstawy teorii względności i jej zasadniczy aparat matematyczny. Za moich czasów studenckich programy studiów nie uwzględniały teorii względności. Dziś, przynajmniej na niektórych uniwersytetach, studenci trzeciego roku uczą się podstawowych równań szczególnej teorii względności, a studenci czwartego lub piątego roku studiują matematyczną teorię względności.

Myśl, którą chcę teraz wypowiedzieć, wydaje mi się szczególnie ważna. Einstein nie mógłby być jednym z tych, których wpływ na nasze stulecie był najgłębszy, gdyby jego idee były zrozumiałe tylko dla nielicznych. Kiedyś, w przyszłości zasady teorii względności będą może wykładane nawet w szkole średniej. Idee leżące u jej podstaw są proste i zarazem zasadnicze, choć proces przetłumaczenia wynikających z nich wniosków na język życia codziennego wymaga czasu. Ludzi, którzy przyswoili sobie niektóre idee teorii względności, jest coraz więcej i liczba ich długo jeszcze będzie wzrastać. To właśnie jest powodem wpływu Einsteina na naszą współczesną kulturę.

Teoria względności nie jest teorią kapłanów wiedzy. W dalszym ciągu przekonamy się, jaki wpływ na cale nasze życie wywarł ten pozornie abstrakcyjny wytwór myśli. Był co prawda okres, około roku 1917, kiedy tylko nieliczni ludzie w pełni rozumieli teorię względności. V tym to właśnie okresie rzekł pewien fizyk do profesora Eddingtona: "Pan jest jedną z trzech osób, które rozumieją teorię względności". Gdy na twarzy Eddingtona l pojawił się wyraz powątpiewania, fizyk dodał: "Panie \ Profesorze, nie powinien Pan czuć się zakłopotany. Pan i jest nazbyt skromny". Eddington odpowiedział: "Nie

jestem zakłopotany, zastanawiam się tylko, kto jest tym [ trzecim".

Teoria względności, jak każda nauka, opiera się na założeniach zgodnych z doświadczeniem. Z tych założeń wyprowadza ona wnioski, przy czym narzędziem dedukcji jest matematyka. W dalszym ciągu zakładać będziemy, że czytelnikowi nie są znane nowsze zdobycze matematyki i dlatego będziemy pomijać większość elementów procesu dedukcji. Mimo to jest rzeczą możliwą uchwycenie pewnych idei podstawowych i pewnych wyników nawet wtedy, gdy wypadnie nam opuścić niektóre ogniwa łańcucha logicznego, łączącego założenia podstawowe z wnioskami dającymi się sprawdzić doświadczalnie. Pewne założenia i wnioski będziemy musieli przetłumaczyć - poprzez obrazy i analogie - z abstrakcyjnego języka matematyki na język życia codziennego.

Wszystko to razem oznacza "popularyzację". A gdy stajemy przed problemem popularyzacji teorii względności, napotykamy inny głęboko zakorzeniony przesąd, który wymaga omówienia. Wielu ludzi uważa, że teoria względności mówi nam,

iż wszechświat jest czymś na podobieństwo świata Alicji w krainie czarów, że do tego wniosku doszedł matematyk Einstein, który odkrył, że istnieje czwarty wymiar, że przedmioty skracają się i wydłużają, a świat nasz kurczy się lub rozszerza na kształt balonu, że krótko mówiąc, wszystko jest względne i tajemnicze. Że nie pociąg zatrzymuje się na stacji, ale stacja przy pociągu. I w tym, stworzonym przez Einsteina, fantastycznym, względnym świecie nagle zjawiła się bomba atomowa.

Naukowe metody myślenia dlatego wydają się tak odmienne od tych, jakimi się posługujemy w życiu codziennym, że są od nich doskonalsze, bardziej skomplikowane i subtelne. W istocie rzeczy są one jednak takie same. Kiedy widząc zbliżający się samochód nie przechodzimy przez jezdnię, postępujemy tak dlatego, że stosujemy teorię, rozumujemy i wnioskujemy. Łańcuch wniosków jest w tym wypadku tak krótki, że można go nieomal nazwać instynktem. W nauce łańcuch ten jest nieporównanie dłuższy. Jest znacznie dłuższy w teorii względności niż w mechanice klasycznej. Z postępem wiedzy staje się on coraz dłuższy i coraz trudniej jest go uchwycić. Ale drzewo nauki wyrasta z gleby naszych doświadczeń. Odnosi się to również do teorii względności.

W jaki więc sposób zrodziło się uprzedzenie dotyczące mistycznego, względnego wszechświata z Alicji w krainie czarów?

W roku 1916, gdy teoria względności była znana głównie niemieckim fizykom i matematykom, a prawie zupełnie obca szerszej publiczności, napisał Einstein niewielką popularną książkę o szczególnej i ogólnej teorii względności. Oto kilka wyjątków z jego przedmowy; są

to niemal dokładnie te same myśli, jakie chciałbym wyrazić we wstępie do niniejszej książki:

"Książeczka ta ma zaznajomić możliwie dokładnie z teorią względności tych czytelników, którzy interesują się nią ze stanowiska ogólnonaukowego, filozoficznego, a nie opanowali aparatu matematycznego fizyki teoretycznej. Jej lektura wymaga wiadomości mniej więcej z zakresu szkoły średniej, a nadto dość znacznej dozy cierpliwości i silnej woli czytelnika. Autor dołożył wszelkich starań, aby główne myśli przedstawić w sposób możliwie jasny i prosty... Mając na względzie zrozumiałość wykładu, nie cofałem się przed powtórzeniami i nie przywiązywałem najmniejszej wagi do elegancji ujęcia;

przestrzegałem raczej sumiennie wskazówki genialnego teoretyka L. Boltzmanna, aby troskę o elegancję pozostawić krawcom i szewcom." ^

Mała książka Einsteina stała się dziełem klasycznym. Później, około roku 1920, gdy sława teorii względności i jej twórcy objęła cały świat, wydrukowano o Einsteinie i o teorii względności setki książek, broszur i artykułów w czasopismach i w gazetach. Rozpoczęła się era płaskiej wulgaryzacji wiedzy.

Szybko zauważono, że książki, które podając naukę pomieszaną z mistyką i sensacją - podniecają czytelnika, cieszą się większą poczytnością od takich, które pisane na podobieństwo książki Einsteina - przedstawiają podstawowe myśli w sposób rzeczowy, bezpośredni, niemal bezbarwny. Zaczęto więc powtarzać do znudzenia podane przez Einsteina przykłady, tyle tylko że upiększone zbędną ornamentacją; uczyniono wszystko, aby na tle pasjonującej scenerii przedstawić uczonego jako diabelnie sprytnego jegomościa, który wydziera

zyrodzie tajemnice, mimo iż usiłuje je ona podstępnie przed nim ukryć. Książki te wywoływały metafizyczny dreszczyk; przy ich lekturze można się było podniecać i przeżywać napięcie dramatyczne nie rozumiejąc absolutnie nic. Niektórzy popularyzatorzy pisali z dużą zręcznością artystyczną i tak powstał nowy (dziś już chyba zanikający) styl popularyzacji. Ten właśnie styl przyczynił się do powstania przesądu dotyczącego tajemniczości wszechświata i nauki.

Nauka jest budowlą wzniesioną przez rozum; największą przyjemnością przy jej poznawaniu jest rozumienie. Bez niego nauka niewiele znaczy. Istnienie nauki i jej postęp oparte są na przekonaniu, że wszechświat nie jest kapryśny i tajemniczy. Wielki matematyk Poincare (który zresztą sam był bardzo bliski odkrycia szczególnej teorii względności) powiedział kiedyś, że największy cud polega na tym, że cuda się nie zdarzają.

Cel naszego rozumowania jest i w życiu i w nauce taki sam: chcemy badać i przewidywać zjawiska, chcemy rozumieć otaczający nas świat. Trudności, które występują w teorii względności, istnieją w każdej dziedzinie nowoczesnej fizyki. W fizyce tej nie mamy do czynienia z przedmiotami namacalnymi i zjawiskami tak dobrze znanymi, jak temperatura wrzenia wody, ruch wahadła czy ciśnienie w cylindrze. A przecież nawet te proste zjawiska były dla przeciętnego człowieka - w czasach ich odkrycia - równie abstrakcyjne i trudne do przyswojenia, jak dziś przesunięcie ku czerwieni linii widmowych czy odchylenie promieni świetlnych.

Zjawiska, które objaśnia nowoczesna fizyka, to głównie procesy wywoływane w nowoczesnych laboratoriach z ich cyklotronami, spektrografami masowymi i licznika-

mi Geigera; to zjawiska astronomiczne, takie jak zakrzywienie pochodzących od gwiazd promieni świetlnych przebiegających w czasie zaćmienia w pobliżu skraju tarczy słonecznej; to powstawanie nowych cząstek w wyniku działania promieniowania kosmicznego. Nawet zjawiska zachodzące w laboratorium wszechświata zostają za pomocą zbudowanych przez człowieka najczulszych przyrządów uchwycone, zmierzone i objaśnione. Każda teoria naukowa, nawet z istoty swej spekuktyw-na, jest słuszna tylko o tyle, o ile może być spiawdzona przez doświadczenie. Teoria, która tej próbie nie sprosta, musi umrzeć.

Będziemy więc uważali teorię Einsteina za budowlę wzniesioną przez rozum: choć po części abstrakcyjna i spekulatywna, może być jednak sprawdzona doświadczalnie. Nie ma w niej nic metafizycznego ani mistycznego.

Jeszcze przed zakończeniem ostatniej wojny wydawała się teoria względności abstrakcyjną siecią myśli, bardzo odległą od tych zjawisk, jakie człowiek może obserwować lub przeżywać. Dziś jest inaczej. Inaczej od czasu, gdy w Hiroszimie straciło życie 200 000 ludzi. Odkryty przez Einsteina w 1905 r. związek między masą i energią znajduje już wyraz nie tylko w rzadkich zjawiskach laboratoryjnych. Stał się on dla nas wszystkich kwesrią\ życia i śmierci.

Teoria względności nie narodziła się wyłącznie z geniuszu Einsteina. Jednak właśnie jemu przypadło w udziale dokonanie rewolucji, do której nauka już dojrzała. Przywódca rewolucji - był zarazem najbardziej pokojowo usposobionym człowiekiem na świecie. Trzymał się na uboczu, nie należał nawet do grona wykła-

awców w szkołach wyższych. W owym roku 1905 był i młodym, 26-letnim - od niedawna żonatym - doktorem filozofii i urzędnikiem urzędu patentowego w Bernie. Był nieśmiały, uprzejmy i życzliwy. Mało studiował, ale dużo myślała umiał się dziwić i zadawać pytania; nie uznawał żadnych dogmatów. Nie sądzę, żeby kiedykolwiek zdradzał zadatki na dobrego urzędnika, ale Szwajcaria nie usunęła go ze swej służby państwowej. Pozwolono mu myśleć, marzyć i pisać prace, które miały zmienić oblicze świata.

ROZDZIAŁ DRUUGI

Przed rewolucją Einsteina

U źródeł koncepcji eteru

ewolucje -w nauce, podobnie jak wszystkie wielkie przewroty historyczne, wybuchają wtedy, gdy czasy do nich dojrzeją. Aby zrozumieć, czym są i dlaczego zachodzą, trzeba poddać analizie epokę, w której się pojawiają.

Pierwszą rewolucję Einsteina przyspieszył fakt, że żył Einstein. A jednak w fizyce końca XIX w. znajdujemy ziarno, z którego wyrosło wielkie dzieło Einsteina, dzieło rozumienia i wyjaśnienia. Aby sobie uprzytomnić znaczenie tego dzieła, musimy zbadać stan fizyki na przełomie stuleci. Będziemy nań patrzeć z wyżyn osiągniętych przez naukę współczesną, przy czym obraz, jaki ujrzymy, będzie z konieczności zamglony; będziemy bowiem próbowali ogarnąć rozległą krainę, toteż szczegóły muszą się siłą rzeczy wydać zatarte. Na tym ogólnym tle zbadamy dokładniej kilka odosobnionych punktów, które w dalszym ciągu okażą się ogniskami przewrotu. Przed sformułowaniem teorii względności wydawały się one znacznie mniej ważne, dopiero bowiem teoria względności rzuciła na nie światło, doprowadzając do zrozu-

mienia poważnych trudności, jakie związane były z fizyką klasyczną.

Zaczynamy więc od bardzo ogólnego obrazu fizyki XIX wieku. Konkretnie, będziemy na nią patrzeć z punktu widzenia dwóch podstawowych nurtów. Nazwiemy je krótko: jeden - teorią mechanistyczną, drugi - teorią falową.

Każdy z tych nurtów zwiążemy z nazwiskiem jednego człowieka. Jest to uproszczenie tak wielkie, że niemal wypacza ogólny obraz; nazywając bowiem nurt mecha-nistyczny nurtem fizykalnym Newtona podtrzymujemy tylko złudzenie, jakoby cały system naukowy mógł się w skończonej formie narodzić w umyśle jednego człowieka. W rzeczywistości podwaliny teorii newtonowskiej wiążą się z dziełem Galileusza; istnieją także powiązania z bardziej odległą przeszłością, choć w miarę gdy sięgamy coraz bardziej wstecz, ogniwa łańcucha historycznego stają się coraz słabsze. Skoro jednak zdajemy sobie sprawę z istnienia w nauce tej ważnej historycznej ciągłości, możemy sobie pozwolić na związanie fizyki mechanis-tycznej z nazwiskiem Newtona; zawarte w jego słynnym dziele Philosophiae natur alis principia mathema-tica (1687) sformułowanie mechanistycznego światopoglądu stworzyło nową epokę.

Postępując podobnie, zwiążemy teorię polową z nazwiskiem Maxwell a, choć również jego idee opierały się na dziele Faradaya, a następnie były sprawdzone doświadczalnie przez Hertza. James Clerk Maxwell zmarł w roku 1879, roku, w którym urodził się Albert Einstein.

Elementy mechanistycznego i polowego punktu widzenia znaleźć można już u filozofów starożytnych. Jednak dopiero nauka XIX wieku w pełni rozwinęła oba ujęcia

•w całym ich matematycznym pięknie. Te dwa, istniejące jeden obok drugiego, nurty stanowią wynik długotrwałego i pełnego dynamiki rozwoju.

Nie trudno odróżnić pogląd mechanistyczny od polowego. Oba te naukowe punkty widzenia przeniknęły dziś nawet do języka potocznego. Mówiąc o otaczającym nas świecie opisujemy jego fragmenty albo w języku teorii mechanistycznej, albo w języku teorii polowej.

Jeśli więc mówimy, że Ziemia pod wpływem przyciągania grawitacyjnego porusza się dokoła Słońca po torze zwanym elipsą, to korzystamy z poglądu newtonowskiego, mówimy językiem mechaniki. Takie stwierdzenie mogłoby się w czasach Newtona wydać nieco skomplikowane; dziś jednak jest ono powszechnie uznane. Mówiąc dokładnie, rysujemy punkt - Słońce - w ognisku elipsy i drugi punkt - Ziemię - na jej obwodzie. Dwa ciała - Ziemia i Słonce' - przedstawione zostają przez dwa punkty, dwie cząstki przyciągające się nawzajem siłami grawitacyjnymi. Cząstki i proste siły między nimi działające - oto cechy charakterystyczne poglądu me-chanistycznego, poglądu Newtona. Pogląd ten odniósł ogromne sukcesy w dziedzinie mechaniki i astronomii, a z czasem przeniknął i do innych gałęzi fizyki.

Nie ma nic dziwnego w tym, że wiek XIX starał się rozciągnąć interpretację mechanistyczną na wszystkie dziedziny zjawisk przyrody. Mechanika była w czasach Newtona najstarszym, najpopularniejszym i najszczęśliwszym członkiem rodziny nauk. Tak więc wytłumaczenie zjawisk ciepła, światła i przepływu płynów sprowadzało się do podania odpowiedniego obrazu mechanicznego.   1 Tak też należy rozumieć stwierdzenie, że poglądem panującym w fizyce był pogląd mechanistyczny.-

Aż do wieku XIX nikt nie wyobrażał sobie, żeby to panowanie mechaniki mogło być zachwiane. Wydawało się .wtedy, że tory mechanistyczne, na które wkroczyła nauka, wytyczają kierunek jej rozwoju na przeciąg całej przyszłości naszej cywilizacji. Słynny matematyk Lagran-ge (zmarły na początku XIX wieku) powiedział kiedyś, że Newton był nie tylko największym, ale i najszczęśliwszym z uczonych, albowiem naukę o świecie można stworzyć tylko raz, a tego właśnie dokonał Newton. Dziś, z perspektywy naszych czasów, jest dla nas jasne, że podwaliny wiedzy nie zostały położone raz jeden i że wielką zasługą Newtona było stworzenie jedynie pierwszego ogniwa w łańcuchu naukowych przewrotów. Niemniej jednak w czasach, gdy żył Lagrange, a nawet później, pogląd mechanistyczny rozpowszechniał się i pogłębiał, aż wreszcie osiągnął rangę dogmatu filozoficznego. Z wielką dozą wyobraźni, wybiegając daleko poza dziedziny znane i zbadane, wypowiadał go Łapiące, a potem Helmholtz.

W czasach tych uczeni uważali, że cały wszechświat i my wraz z nim - to gigantyczna, skomplikowana maszyna, którą rządzą prawa Newtona. Jeżeli znamy stan obecny układu mechanicznego, to znaczy położenia i prędkości wszystkich cząstek, i jeśli ponadto znamy siły działające między tymi cząstkami, to potrafimy przepowiedzieć przyszłość takiego układu, a także odsłonić jego przeszłość. Istotnie, na tym właśnie polega rozwiązanie wszelkiego problemu mechanicznego. Jeśli zatem wszechświat jest jedną gigantyczną, skomplikowaną maszyną, to gdybyśmy tylko znali jego stan w pewnej chwili oraz właściwości wszystkich sił, moglibyśmy przepowiedzieć jego przyszłość z dokładnością do najdrobniejszych

szczegółów i to dla dowolnie odległej chwili. Podstawiając do otrzymanych wzorów inne wartości czasu moglibyśmy również odsłonić jego przeszłość.

Uczony XIX wieku rozumiał, "że od osiągnięcia tego celu był bardzo daleki. Zdawał on sobie sprawę, że niewiele wie o stanie wszechświata, niewiele o prawach, które rządzą materią, a jeszcze mniej o tych, które rządzą życiem i myśleniem. Mimo to wydawało się, że nic nie stoi na przeszkodzie coraz szerszemu stosowaniu poglądu mechanistycznego; ideę ostatecznego wytłumaczenia na gruncie fizyki newtonowskiej wszystkich zjawisk przyrody uważano za cel teoretycznie osiągalny.

Co się tyczy drugiego nurtu fizyki, teorii polowej, to rozwój jej w drugiej połowie XIX wieku związany był z wprowadzeniem zasadniczych idei, które ostatecznie doprowadziły do upadku poglądu mechanistycznego.

Również pogląd polowy przeniknął do naszego języka potocznego. I tak, gdy mówimy, że fale radiowe rozchodzą się z anteny nadawczej i oddziaływają na odbiornik, to posługujemy się (przynajmniej do pewnego stopnia) językiem teorii pola. Zdanie takie - dziś powszechnie zrozumiałe - byłoby dla fizyka początku XIX wieku pozbawione sensu.

Rządząca zjawiskami elektrycznymi i optycznymi teoria Maxwella jest teorią polową: jej istotnym elementem jest opis zmian, które w sposób ciągły rozchodzą się w przestrzeni i w czasie. Koncepcja pola jest więc przeciwieństwem właściwej poglądowi mecha-nistycznemu koncepcji zwykłych cząstek. (Różnice między obu teoriami znajdują odbicie również w ich strukturze matematycznej: równania mechaniki są równania-

mi różniczkowymi zwyczajnymi, podczas gdy równania pola są równaniami cząstkowymi.)

Antena wysyła fale elektromagnetyczne, na które reagują nasze radioodbiorniki. Atomy w Słońcu,, w rurze neonowej czy w żarówce elektrycznej - wysyłają światło, na które reaguje nasze oko. Jakże różne są te dwa obrazy! W jednym z nich występuje antena i odbiornik radiowy. W drugim, atom - będący sam maleńką anten-ką - wysyła fale elektromagnetyczne, a odbiornik - nasze oko - fale te analizuje, wykrywając barwy i kształty widzialnego świata. Obydwoma tymi zjawiskami rządzą jednak te same prawa: równania Maxwella. Zarówno fale wysłane przez antenę, jak przez atom są falami elektromagnetycznymi, rozchodzącymi się w przestrzeni z prędkością 300 000 kilometrów na sekundę. Odkrycie, pod powierzchnią zewnętrznych różnic, nieoczekiwanych podobieństw, a nawet zupełnych tożsamości, było w rozwoju nauki wielkim postępem.

Pogląd polowy okazał się w dziedzinie zjawisk elektrycznych i optycznych równie płodny, jak w astronomii pogląd mechanistyczny. Całym bogatym i ogromnym światem promieniowania - od promieni Rentgena aż po fale radiowe, włącznie z widzialnymi falami światła - rządzą prawa polowe, które, jak się wydaje, niewiele mają wspólnego z poglądem mechanistycznym.

Żaden prawomyślny fizyk XIX wieku nie zgodziłby się na taki sposób objaśniania zjawisk. Myśl o istnieniu dwóch różnych nauk fizyki, dwóch alternatywnych metod myślenia byłaby dlań nie do przyjęcia. Byłby się on raczej upierał przy zdaniu, że między poglądem polowym i mechanistycznym nie ma istotnej różnicy i że można znaleźć konsekwentne i całkowicie zadowalające objaś-

nienie zjawisk elektromagnetycznych na sposób mecha-nistyczny. A oto jego rozumowanie:

"Teoria Maxwella opisuje fale elektromagnetyczne i prawa ich rozchodzenia się. Już samo to zdanie wskazuje, że sposób objaśniania jest typu mechanistycznego. Co to jest fala? Weźmy pod uwagę falę dźwiękową: jest ona wytworzona przez cząstki powietrza. Tak więc w przypadku fali dźwiękowej mamy do czynienia z mechanicznym obrazem cząstek i ich ruchu. Albo przypomnijmy sobie falę na wodzie. Drgające cząstki wody zmuszają do drgań cząstki sąsiednie. Tak właśnie rozchodzą się fale, albo przynajmniej tak zdają się one rozchodzić. U podstaw tego wszystkiego leży mechanistyczna realność poruszających się cząstek i działających między nimi sił. To samo dotyczy fal świetlnych czy fal elektromagnetycznych. Podobnie jak w przypadku fał na wodzie, można każdej prostej fali elektromagnetycznej przypisać długość fali. Przez długość fali rozumiemy odległość w pewnej chwili między dwoma sąsiednimi grzbietami fali. Długość fali promieniowania widzialnego, to znaczy światła, jest w porównaniu z długościami fal radiowych (nawet krótkich) bardzo mała. Jednakże zarówno fale radiowe, jak i świetlne można przedstawić za pomocą obrazu mechanicznego, w którym wystąpią drgające cząstki i ośrodek - materialne podłoże, w którym się fale rozchodzą."

Przypuśćmy, że w tym wygodnym momencie nasz fizyk XIX wieku przerwał swe wywody, i zadajmy mu pytanie, które powinno odsłonić poważne trudności.

Rozumujemy tak: ^.Powiedziałeś, że obraz fali ma charakter mechaniczny, ponieważ zawsze istnieje ośrodek, materialne podłoże, w którym się fale rozchodzą. A co

mianowicie jest podłożem materialnym, w którym rozchodzą się fale elektromagnetyczne? Nie jest nim oczywiście powietrze, jak to było w przypadku fal głosowych. Między gwiazdami i Ziemią nie ma powietrza. Można wypompować powietrze z tego pokoju, a jednak z zewnątrz widać będzie przez okno dokładnie to samo, co przedtem. W rozchodzeniu się fal elektromagnetycznych nie bierze udziału ani powietrze, ani woda, ani jakikolwiek inny ośrodek materialny. W odróżnieniu od wszelkich innych fal nie wymagają one materialnego podłoża. To właśnie jest cechą charakterystyczną odróżniającą je od wszelkich innych fal. Gdzież więc jest twoje mechaniczne podłoże, jeśli nie ma ośrodka, w którym się i. fale rozchodzą?"

Argumenty te nie zakończyłyby dyskusji. Nasz fizyk XIX wieku broniłby swego stanowiska, a w trakcie sporu padłoby nowe, ważne słowo: eter - pojęcie najzupełniej zbyteczne do zrozumienia dzisiejszej fizyki, a jednak niezbędne do zrozumienia jej historii. Z jego bowiem upadku narodziła się einsteinowska teoria względności.

Fizyk XIX wieku utrzymywał, że ponieważ fale mechaniczne (a inne dla niego nie istniały) mogą się rozchodzić tylko w ośrodku materialnym, zatem musi istnieć ośrodek materialny, w którym rozchodziłyby się fale elektromagnetyczne. Ośrodek ten nazwał on eterem i założył, że cały nasz wszechświat zanurzony jest w tej nie-ważkiej substancji, której znał przynajmniej jedną własność: zdolność przenoszenia fal elektromagnetycznych. Ten sam fizyk zapewniałby nas, że odkrycie innych własności eteru jest tylko kwestią czasu i że stanie się on kiedyś tak samo realny, jak każdy obiekt materialny. A za-

tem • jego koncepcja - to dwa główne nurty fizyki z pojęciem eteru w roli zespalającego je ogniwa, w roli ogniwa łączącego teorię polową z teorią mechanistyczną i ratującego umiłowaną zasadę jedności.

Zapamiętajmy ten obraz i zdajmy sobie sprawę z tego, ile wysiłku wymagało zbudowanie, udoskonalenie i usprawiedliwienie koncepcji eteru. Tylko bowiem wtedy będziemy mogli zrozumieć przewrót, który zniszczył cały gmach teorii, przewrót, który się rozpoczął, gdy w pierwszych latach naszego stulecia opublikował swą pracę młody urzędnik szwajcarskiego urzędu patentowego.

Upadek koncepcji eteru

W każdym wykładzie teorii względności rozpatruje się układy odniesienia, albo układy współrzędnych, albo jak je będziemy krótko nazywali, uklady. Układy takie omawiane są zarówno w związku z zagadnieniami mechaniki, jak i z zagadnieniami pola. Jednakże pełną uwagę na ich doniosłość zwróciła dopiero koncepcja eteru, a później teoria względności. Wiele zagadnień związanych z eterem, a także wiele zagadnień związanych z teorią względności, dotyczy dwóch lub więcej układów.

W ujęciach przeznaczonych dla ludzi nie obeznanych z fizyką współczesną wygodnie jest wyobrażać sobie doświadczenia wykonywane na ziemi, a następnie doświadczenia wykonywane na przykład w pędzącym pociągu. We wszystkich tych przykładach ziemia wraz ze znajdującymi się na niej nieruchomymi obiektami stanowi jeden układ, drugim układem jest poruszający się po-

ciąg. Oba układy poruszają się względem siebie, a każdy z nich ma swego własnego obserwatora (lub swoich obserwatorów). Będziemy więc mieli zespół ludzi, tylu ilu nam będzie potrzeba, wykonujących doświadczenia na ziemi oraz inny zespół, wykonujący doświadczenia w pociągu. (Oczywiście ten poglądowy obraz nie znaczy, że pojęcie układu ma sens wówczas tylko, gdy jest obserwator.) Oba zespoły mogą w razie potrzeby porównywać swoje obserwacje oraz porozumiewać się w sprawie uzyskanych wyników. Z tych właśnie dyskusji wynikną niektóre nasze wnioski. Istotnie, jeśli wolno nam wyprzedzić bieg naszego opowiadania, metoda taka jest jedną z ważniejszych metod rozumowania w teorii względności. Oba układy poruszają się względem siebie;

obserwatorzy działający w swoich układach otrzymują wyniki ważne względem ich układów; stąd nazwa - teoria względności.

Sformułujemy teraz zasadę względności Galileusza. Wyobraźmy sobie dwa układy poruszające się względem siebie ruchem jednostajnym, to znaczy ze stałą prędkością, bez przyspieszenia i po linii prostej. Jeśli chcemy wyobrażać sobie ten ruch jako ruch pociągu, to musi to być taki pociąg, w którym walizki nie spadają z półek, a pasażerowie nie wpadają jeden na drugiego; może to być statek płynący tak doskonale gładko, że nawet naj-wrażliwsi pasażerowie nie dostają choroby morskiej. Zakładamy ruch jednostajny!

Teraz pytamy: jeżeli prawa mechaniki są słuszne w jednym z układów, to czy są one słuszne dla obserwatorów w drugim układzie? Odpowiedź jest oczywista:

tak. Istotnie, tyle właśnie wynika z faktu, że ruch odbywa się w sposób doskonale gładki. Gdyby się zasłoniło

okna, nie byłoby sposobu wykrycia takiego jednostajnego ruchu. Jeśli więc nasi obserwatorzy porównają wyniki przeprowadzonych przez siebie w obydwu układach doświadczeń fizycznych, to się przekonają, że prawa, które sformułowali, są identyczne.

Mysi ta jest prosta, i jeśli ją rozumiemy, to zrozumieliśmy zarazem treść zasady względności Galileusza. Głosi ona:

Jeżeli prawa mechaniki ważne są w pewnym układzie, to są one ważne w każdym innym układzie poruszającym się względem pierwotnego ruchem jednostajnym.

Każdy z tych poruszających się ruchem jednostajnym układów równie dobrze jak każdy inny nadaje się do przeprowadzania doświadczeń fizycznych i do każdego z nich można odnosić ruchy, prędkości, przyspieszenia lub siły.

Punktem istotnym nie jest tu istnienie dwóch lub więcej układów z ich obserwatorami, lecz to, że możemy przenosić opis z jednego układu do drugiego. Wszystko to jest proste, jednak ta prostota jest złudna, wkrótce bowiem przekonamy się, że za tymi pozornie banalnymi wywodami kryją się poważne trudności.

Ktoś powiedział mi na przykład, że jego samochód jedzie z prędkością pięćdziesięciu kilometrów na godzina. Jeślibym chciał być pedantem, mógłbym, go spytać:

"Względem czego?. Względem twego domu i latarni czy względem Słońca i Księżyca?" Tego rodzaju pytania są irytujące, bo człowiek opisujący prędkość swego samochodu miał oczywiście na myśli jego prędkość względem ziemi lub obiektów sztywno z nią związanych (dom, latarnia). Ruch może być opisany tylko względem pewnego układu odniesienia, a mój rozmówca pominął tę infor-

mację wyłącznie dlatego, że było rzeczą oczywistą, jaki układ miał na myśli.

Gdy pociąg rusza z miejsca i ktoś biegnie za nim, wtedy prędkość człowieka względem stacji jest znaczna, podczas gdy jego prędkość w stosunku do pociągu jest prawie zerem. Jeśli biec z prędkością a w pociągu, który jedzie z prękością b, to prędkość biegnącego w stosunku do szyn będzie a + b lub a - b, zależnie od kierunku,

w którym biegnie.

Sformułujemy teraz nasz wynik w sposób nieco bardziej abstrakcyjny. Mamy dwa układy: O (ziemia) i O' (pociąg). Układ O' porusza się z prędkością a względem układu O. Cząstka porusza się z prędkością b względem układu O'. Celem znalezienia prędkości tej cząstki względem układu O trzeba obie prędkości dodać (gdy cząstka porusza się w tym samym kierunku, w jakim porusza się O' względem O) lub odjąć (gdy porusza się w kierunku przeciwnym).

Reguła ta, wiążąca wyniki pomiarów prędkości w dwóch układach, jest prosta i zarazem oczywista. Tak oczywista, że jej doświadczalne potwierdzanie wydaje się niewarte wysiłku. Możemy to jednak zrobić i powtarzać odpowiednie doświadczenia tyle razy, ile nam się spodoba. Mamy w ten sposób prawo, które w przyszłości nazywać będziemy prawem dodawania prędkości.

Wypowiedzieliśmy więc:

1. Zasadę względności Galileusza.

2. Prawo dodawania prędkości.

Zanim pozostawimy te fundamentalne zasady poglądu mechanistycznego, jeszcze jeden przykład: wyobraźmy sobie, .że w środku długiego pociągu ktoś wygłasza od-

czyt, czyli - używając terminu fizycznego - wytwarza fale głosowe. Zadamy teraz obserwatorowi w pociągu i obserwatorowi na zewnątrz pociągu następujące pytanie:

"Jaka jest w twoim układzie prędkość tych fa.1?"

Obserwator w pociągu powie:

"Prędkość głosu jest we wszystkich kierunkach taka sama. Jednostajny ruch pociągu względem stacji jest tu bez znaczenia. Mój układ jest równie dobry, jak układ zawiadowcy stacji. Pociąg unosi z sobą "swoje" .powietrze i dlatego fale głosowe rozchodzą się we wszystkich kierunkach z taką samą prędkością."

Obserwator na zewnątrz pociągu powie:

"Wytworzone w pociągu fale dźwiękowe poruszają się względem mnie z prędkościami, które są w różnych kierunkach różne. W kierunku ruchu pociągu poruszają się one z prędkością większą od prędkości głosu. Prędkość, ta, zgodnie z klasycznym prawem dodawania prędkości, będzie równa sumie prędkości pociągu i prędkości fal głosowych. W kierunku przeciwnym do ruchu pociągu dźwięk rozchodzi się z prędkością mniejszą. Istotnie, prędkość ta - liczona względem mnie - będzie mniejsza o prędkość pociągu."

Zapamiętajmy te odpowiedzi, wkrótce bowiem będziemy musieli się na nie powołać.

Możemy teraz porzucić teorię mechanistyczną i prowadzeni przez fizyka XIX wieku, rozpocząć serię badań mających na celu stwierdzenie realności eteru. Przewodnik nasz zdecydowany jest zachować koncepcję eteru, łączącą pogląd mechanistyczny z poglądem polowym. Chciałby on, aby fale elektromagnetyczne były równie realne i równie mechaniczne jak fale głosowe.

Idąc śladem naszego przewodnika, którego teorię eteru na próbę przyjmujemy, będziemy sobie wyobrażać fale świetlne po prostu jako fale w eterze. Wyobraźmy sobie, konkretnie, włączane i wyłączane źródło światła, które wysyła sygnały świetlne. Zamiast sygnałów świetlnych użyć możemy, jeśli wolimy, sygnałów radiowych, ponieważ fale radiowe i świetlne rozchodzą się w eterze z jednakową prędkością.

Tak więc przeprowadzimy doświadczenie podobne do tego, jakie opisaliśmy poprzednio dla przypadku fal głosowych. Badamy sygnały świetlne wysyłane ze środka długiego pociągu i pytamy obserwatorów z wewnątrz i z zewnątrz pociągu o prędkości, jakie ma światło względem ich układów. Zdajemy sobie oczywiście sprawę, że prędkości te można zmierzyć, wolimy jednak zadać nasze pytanie, zanim obserwatorzy zdążą to uczynić. Niech z góry przewidują możliwe odpowiedzi! Obserwator w pociągu powie:

"Mój układ jest oczywiście równie dobry, jak układ zawiadowcy. Okna pociągu są zasłonięte i jest rzeczą rozsądną przypuszczać, że eter unoszony jest wraz z układem, podobnie jak w przypadku fal głosowych unoszone było powietrze. Tak więc prędkość światła będzie w moim układzie niezmieniona. Będzie ona wszędzie i w każdym kierunku wynosiła 300 000 kilometrów na sekundę."

Obserwator na zewnątrz pociągu powie:

"Prędkość sygnału świetlnego będzie w różnych kierunkach różn". W '.aerunku zgodnym z tym, w jakim względem mnie porusza się pociąg, będzie ona większa niż normninie. Będzie ona v tym kierunku równa sumie normalnej prędkości światła i prędkości pociągu.

W kierunku przeciwnym będzie równa różnicy prędkości normalnej minus prędkość pociągu."

W ten sposób obaj obserwatorzy wypowiedzieli swoje przewidywania. Można je teraz sprawdzić doświadczeniem, od którego w nauce nie może być apelacji.

Gdybyśmy takie doświadczenie wykonali, to przewidywanie obserwatora zewnętrznego okazałoby się nieoczekiwanie błędne. Obserwator wewnątrz pociągu stwierdziłby wprawdzie, że prędkość światła jest We wszystkich kierunkach jednakowa; w ten sposób jego przewidywania okazałyby się trafne. Za to obserwator zewnętrzny niewątpliwie nie miałby racji. Stwierdziłby on, że prędkość światła jest również dla niego we wszystkich kierunkach taka sama i wynosi 300 000 kilometrów na sekundę, nigdy mniej i nigdy więcej. Stwierdziłby, że światło zachowuje się względem niego tak, jak gdyby źródło światła i eter spoczywały, a okoliczność, że źródło światła porusza się wraz 2 pociągiem, nie ma najmniejszego znaczenia. (Wynik tego doświadczenia myślowego stwierdzony został drogą obserwacji naukowych w sposób -pośredni, ale niewątpliwy.) Tak więc doświadczenie wydało swój wyrok: prędkość światła jest taka sama dla obserwatora wewnętrznego, jak dla zewnętrznego.

A więc prawo dodawania prędkości załamało się. Jaka zatem korzyść płynie z założenia, że istnieje eter, jeśli nie zachowuje się on tak, jak powinien się zachowywać normalny ośrodek, jeśli zamiast pomagać nam w przewidywaniu zdarzeń, prowadzi tylko do nowych trudności?

Łamiąc prawo dodawania prędkości eter, który miał zespolić teorię polową z mechaniczną, sam wszedł w kolizję z mechaniką.

Głęboko zakorzenione przesądy trudno jest wyplenić. Fizyk XIX wieku nie zamierzał wyrzec się koncepcji eteru. Nie mógł wprawdzie zaprzeczyć świadectwu doświadczenia, ale mógł zmienić swe argumenty. Miał on istotnie pod ręką wygodne wytłumaczenie swojej porażki. Mógłby powiedzieć - i rzeczywiście tak powiedział:

"Pociąg nie unosi eteru, tak jak unosił ośrodek - powietrze, lecz płynie przez morze eteru na podobieństwo statku płynącego przez spokojne wody; również Ziemia w swej podróży dokoła Słońca żegluje przez morze spoczywającego eteru. Poprzedni nasz obraz był więc błędny i musimy zacząć doświadczenie od nowa, proponując znów naszym obserwatorom, aby przewidzieli wyniki i porównali swe przypuszczenia z doświadczeniem." W ten sposób zbliżamy się do punktu kulminacyjnego naszego opowiadania. Znowu mamy dwóch obserwatorów, jeden na zewnątrz, w spoczywającym morzu eteru, i drugi - żeglujący przez to spoczywające morze. Znów notować będziemy przewidywania, jednak dla większej konsekwencji zmienimy teraz nasz obraz. Wyobraźmy sobie jednego obserwatora związanego nie z Ziemią, lecz z pewnym układem związanym na przykład ze Słońcem czy z gwiazdami, w każdym razie z takim wyróżnionym układem, w którym by eter spoczywał. Jest to jedyny układ, w którym eter spoczywa; wszystkie inne ciała poruszają się względem niego. "Obserwator z wszechświata", to znaczy ten, względem którego eter pozostaje w spoczynku, powiedziałby:

"Prędkość światła jest dla mnie we wszystkich kierunkach jednakowa, albowiem ośrodek, w którym rozchodzi się światło, pozostaje w spoczynku."

A co by powiedział obserwator żeglujący przez takie

morze eteru? Wyobraźmy sobie, że układem ruchomym, •w którym ten obserwator podróżuje, jest pociąg i że jak poprzednio, obserwator nasz wysyła sygnały w kierunku ruchu oraz w kierunku przeciwnym do ruchu. Powiedziałby on teraz;

"Gdy wysyłam sygnał - to znaczy falę świetlną - wzdłuż linii biegu pociągu, to fala świetlna biegnie przez nieruchome morze eteru, ale ściana, w kierunku której ona...