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.