Drgania struny: najprostsza teoria pola

Drgania struny, badane jeszcze przez Pitagorasa, są rzeczywiście archetypem fizyki matematycznej.

Przyjrzyjmy się im z punktu widzenia zasady najmniejszego działania. W problemie liny mieliśmy już do czynienia z energią sprężystą liny albo struny. Jeśli w punkcie x wychylenie równe jest y(x), to energia potencjalna całej struny jest równa

{\displaystyle V=\dfrac{T}{2}\int_{0}^{L}\left(\dfrac{\partial y}{\partial x}\right)^2 dx.}

Oznaczyliśmy napięcie struny T, pochodną zapisujemy jako cząstkową, bo chcemy, by nasza zmienna y mogła zależeć także od czasu t, co opisuje poprzeczne drgania struny. Zachowujemy tylko energię sprężystości, w przypadku drgań struny grawitacja nie gra roli. Sens fizyczny tego wyrażenia jest dość oczywisty: im bardziej kierunek struny odbiega od kierunku poziomego, tym większa jest energia sprężystości. Odkształcając strunę zmieniamy lokalnie jej kierunek.

Potrzebujemy także energii kinetycznej struny. Jeśli jej liniowa gęstość masy wynosi \varrho, to całkowita energia kinetyczna jest równa:

{\displaystyle E_k=\dfrac{\varrho}{2}\int_{0}^{L}\left(\dfrac{\partial y}{\partial t}\right)^2 dx.}

Działanie, tak jak poprzednio, równa się

{\displaystyle S=\int_{0}^{\tau} (E_k-V)dt= \int_{0}^{\tau}\left[\dfrac{\varrho}{2}\int_{0}^{L}\left(\dfrac{\partial y}{\partial t}\right)^2-\dfrac{T}{2}\int_{0}^{L}\left(\dfrac{\partial y}{\partial x}\right)^2\right] dx dt. }

 

Działanie jest teraz całką po czasie i przestrzeni z funkcji w nawiasie kwadratowym, którą nazywa się gęstością lagranżianu albo lagranżianem, jeśli ktoś nie przejmuje się bardzo precyzją języka.

{\displaystyle S=\int_{0}^{\tau} {\cal L}dx dt, \mbox{ gdzie }  {\cal L}=\dfrac{\varrho}{2}\left(\dfrac{\partial y}{\partial t}\right)^2-\dfrac{T}{2}\left(\dfrac{\partial y}{\partial x}\right)^2 }

 

Podobnie jak przedtem, możemy z zasady najmniejszego działania otrzymać równania ruchu. W tym celu wyobrażamy sobie, że zamiast y(x,t) wstawiamy pod całkę y(x,t)+\delta y(x,t), gdzie wariacja \delta y jest dowolną, lecz niewielką funkcją położenia i czasu, która znika na końcach struny, dla x=0 oraz x=L i na końcach przedziału czasu: t=0 oraz t=\tau. Liniowa część przyrostu działania to wariacja działania (wyrazy kwadratowe w \delta y odrzucamy, podobnie jak przy obliczaniu pochodnej z definicji):

{\displaystyle \delta S=\int \rho \dfrac{\partial y}{\partial t}\cdot \dfrac{\partial \delta y}{\partial t} dx dt-\int T \dfrac{\partial y}{\partial x}\cdot \dfrac{\partial \delta y}{\partial x} dx dt.}

Całkując oba składniki przez części i korzystając ze znikania wariacji na brzegach naszego obszaru w czasoprzestrzeni (dwuwymiarowej: jeden wymiar przestrzenny i jeden czasowy), dostajemy

{\displaystyle \delta S=0=\int \left[-\rho \dfrac{\partial^2 y}{\partial t^2}{\partial t} + T \dfrac{\partial^2 y}{\partial x^2}\right] \delta y dx dt}.

Wyrażenie w nawiasie kwadratowym musi być wobec tego równe zeru dla dowolnych wartości x i t. Otrzymujemy tzw. równanie falowe:

\dfrac{\partial^2 y}{\partial x^2}=\dfrac{\varrho}{T}\dfrac{\partial^2 y}{\partial t^2}.

Równanie to zależy od jednego parametru, nazwijmy go c:

c=\sqrt{\dfrac{T}{\varrho}}.

Łatwo sprawdzić, że rozwiązaniem naszego równania są dowolne funkcje postaci y=f(x-ct) oraz y=g(x+ct), gdzie funkcje f, g mogą być w zasadzie dowolne (różniczkowalne dwa razy). Opisują one fale poruszające się z prędkością c w prawo albo w lewo. W dwuwymiarowej czasoprzestrzeni są to wszystkie możliwe rozwiązania. Równanie falowe jest liniowe: suma dwóch rozwiązań stanowi także dopuszczalne rozwiązanie.

W problemie drgającej struny występują tzw. fale stojące, będące złożeniem takich fal poruszających się w lewo i w prawo. Można je zapisać jako

y(x,t)=A \sin 2\pi \dfrac{x}{\lambda}\cdot \sin 2\pi \nu t.

Pierwszy sinus automatycznie znika w x=0, warunek aby funkcja znikała też w x=L daje nam równanie

2\pi \dfrac{L}{\lambda}=n\pi\Rightarrow \lambda=\dfrac{2L}{n},

gdzie n jest liczbą całkowitą. Geometrycznie oznacza to, że całkowita liczba połówek sinusoidy musi zmieścić się na odcinku (0,L):

Łatwo sprawdzić, podstawiając nasze rozwiązanie do równania falowego, że dopuszczalne częstości drgań są równe

\nu=\dfrac{nc}{2L}.

Mamy tu uzasadnienie zależności odkrytej przez Vincenza Galilei. Częstości dozwolone są wielokrotnościami częstości podstawowej. W instrumentach muzycznych wzbudzane są nie tylko drgania o wartości n=1, ale także jej wielokrotności, tzw. składowe harmoniczne. Matematycznie oznacza to, że dźwięk opisać trzeba jako sumę drgań o wielu częstościach. Częstość podstawowa decyduje o wysokości dźwięku. Obecność wyższych składowych harmonicznych słyszymy jako barwę dźwięku: w ten sposób odróżniamy tę samą nutę zagraną np. na skrzypcach i fortepianie.

Piękną cechą matematyki (a przez to i fizyki) jest możliwość zmiany problemu na inny równoważny. Zamiast struny możemy wziąć działanie postaci jak wyżej i zawsze otrzymamy z niego równanie falowe. Okazuje się, że np. drgania pola elektromagnetycznego miedzy dwiema płaszczyznami odległymi o L będą także miały tę postać. Oczywiście stała c będzie wówczas prędkością światła. Teraz nie ma już struny, drga pole elektromagnetyczne, czyli byt zupełnie pitagorejski: coś, czego nie można dotknąć, ale mimo to jest bardzo realne. Można się spodziewać, że działanie dla pola elektromagnetycznego powinno przypominać nasze wyrażenie dla struny. To, co tu opisaliśmy to jednowymiarowa (przestrzennie) teoria pola tzw. skalarnego (opisywanego jedną liczbą). Pole elektromagnetyczne jest nieco bogatsze, ponieważ możliwe są różne polaryzacje fal.

Nasza jednowymiarowa teoria pola traktuje w równoprawny sposób zmienne czasowe i przestrzenne. Jeśli c jest prędkością światła, teoria jest relatywistyczna, tzn. zgodna ze szczególną teorią względności, w której czas i przestrzeń są nierozerwalnie związane ze sobą, choć nietożsame. Był to w istocie problem rozwiązany przez Einsteina: teoria elektromagnetyzmu, która prowadzi do równania falowego, jest nie do pogodzenia z mechaniką Newtona. W elektromagnetyzmie zawsze otrzymujemy fale biegnące z prędkością c w próżni. W mechanice Newtona ich mierzona prędkość powinna zależeć od ruchu obserwatora. Można np. dogonić falę akustyczną, nie ma jednak sposobu, aby dogonić falę elektromagnetyczną – zawsze będzie ona od nas uciekała z prędkością światła. Taki prosty eksperyment myślowy przyciągnął uwagę Einsteina, kiedy uczył się on w Aarau do matury po oblanych (ale nie z fizyki) egzaminach na Politechnikę w Zurychu.

 

Reklamy

Pitagoras i Vincenzo Galilei: początek i koniec tradycji pitagorejskiej (VI w. p.n.e., 1588)

Pitagoras pierwszy nazwał się filozofem, lecz stał się założycielem sekty na poły religijnej, która przekazywała sobie wierzenia, obyczaje, obrządki i nie dopuszczała nikogo bez długiego procesu formowania charakteru i umysłu. Pitagorejczycy wierzyli w wędrówkę dusz, obejmującą także dusze zwierzęce, więc nie składali ofiar ze zwierząt i starali się nie jeść mięsa, zazwyczaj zadowalali się warzywami, kaszą i przyprawami. Mieli też osobliwą na tle ówczesnej Grecji koncepcję piękna:

Piękny jest więc widok całego nieba i poruszających się po nim gwiazd, jeśli ktoś potrafi dostrzec ich porządek; a piękne jest to wszystko przez uczestniczenie w tym, co pierwsze i dostrzegalne umysłem. Pierwsza zaś jest dla Pitagorasa natura liczb i stosunków liczbowych, ogarniająca całość rzeczywistości, zgodnie z nimi bowiem wszechświat jest mądrze zbudowany i prawidłowo uporządkowany; mądrość zaś jest wiedzą o tym, co piękne i pierwsze, boskie i niezniszczalne, zawsze takie samo i podlegające takiemu samemu porządkowi (…) filozofia natomiast to umiłowanie takiej kontemplacji [Jamblich, O życiu pitagorejskim, przeł. J. Gajda-Krynicka].

Wszechświat postrzegali pitagorejczycy jako κόσμος – kosmos, czyli pięknie złożoną harmonijną całość. Pitagoras odkrył, że prostym proporcjom liczbowym, takim jak 2:1; 3:2 oraz 4:3 odpowiadają harmonijnie współbrzmiące interwały dźwięków: oktawa, kwinta i kwarta. Fakt ten stał się punktem wyjścia całej jego filozofii i kosmologii. Odgrywały w nich rolę muzyka i matematyka, ich związek był fundamentalny. Muzyka miała bowiem swe odbicie w strukturze wszechświata, nie była jedynie sztuką wydawania sugestywnych dźwięków. W ten sposób, po raz pierwszy, wszechświat stał się matematyczny.

Pitagorejczycy uzasadniali owe proporcje dźwięków w sposób numerologiczny. Ich zdaniem liczby 1, 2, 3, 4, były wieloznacznymi symbolami. Suma tych czterech liczb nazywana była tetraktys – arcyczwórką. Arytmetyka miała być także podstawą geometrii: przestrzeń wyobrażali sobie pitagorejczycy jako „skwantowaną”, złożoną z dyskretnych wielkości. Doprowadziło to do kryzysu: zgodnie bowiem z twierdzeniem Pitagorasa długość przekątnej kwadratu o boku równym 1 wynosi \sqrt{2}. Jeśli przyjąć, że można tę liczbę zapisać jako stosunek liczb całkowitych (jak powinno być w dyskretnej przestrzeni), dochodzi się do sprzeczności. Dziś mówimy, że \sqrt{2} jest liczbą niewymierną. Odkrycie tego faktu wstrząsnęło pitagorejczykami.

Wróćmy jednak do harmonii dźwięków. Mamy tu początek fizyki matematycznej – oto pewne stosunki w przyrodzie poddane są zasadom matematyki. Z czasem miało się okazać, że jest to prawda w odniesieniu do całej przyrody, choć uznanie tego faktu zajęło ludzkości ponad dwa tysiące lat. Dziś nie mamy wątpliwości co do nadzwyczajnej skuteczności matematyki w badaniu przyrody. Niektórzy uważają nawet, że w każdej nauce tyle jest prawdy, ile jest w niej matematyki.

W jakim sensie proporcje związane są z parami dźwięków?

Jamblich tak pisze o okolicznościach dokonania owego odkrycia przez Pitagorasa:

Rozmyślał kiedyś i zastanawiał się, czy da się wymyślić dla słuchu jakieś pomocnicze narzędzie, pewne i nieomylne, jakie ma wzrok w cyrklu, w miarce (…), dotyk zaś w wadze i w wynalazku miar; a przechadzając się w pobliżu warsztatu kowalskiego, jakimś boskim zrządzeniem losu usłyszał młoty kujące żelazo na kowadle i wydające dźwięki zgodne ze sobą, z wyjątkiem jednej kombinacji. Rozpoznał zaś w nich współbrzmienie oktawy, kwinty i kwarty. Dostrzegł natomiast, że dźwięk pośredni między oktawą a kwintą sam w sobie pozbawiony jest harmonii, lecz uzupełnia to, czego w innych jest w nadmiarze. Zadowolony zatem, ponieważ została mu zesłana pomoc od boga, poszedł do warsztatu i po wielu rozmaitych próbach odkrył, iż różnica dźwięków rodzi się z ciężaru młotów, nie z siły uderzających, nie z kształtu narzędzi ani też nie z przekształceń kutego żelaza; a zbadawszy dokładnie odpowiednie wagi i ciężary młotów, poszedł do domu i wbił między ściany, od kąta do kąta, jeden kołek, jeden by z wielości kołków albo też z różnej ich natury nie zrodziła się jakaś różnica; następnie przywiesił do kołka w równym od siebie oddaleniu cztery struny z jednakowej materii, jednakowej długości, grubości i jednakowo sporządzone, przywiązawszy do każdej z dołu ciężar i wyrównawszy całkowicie długość strun. Następnie uderzając jednocześnie w dwie struny na przemian, odnalazł wymienione wyżej współbrzmienia, inne w każdym ze związków. Odkrył bowiem, że ta, która obciążona była największym ciężarem wraz z tą, która miała ciężar najmniejszy, razem uderzone tworzą stosunek oktawy. Jedna bowiem miała dwanaście ciężarków, druga zaś sześć; w podwójnej proporcji ujawniła się oktawa, jak to wskazywały same ciężarki. [przeł. J. Gajda-Krynicka]

Jamblich był syryjskim pitagorejczykiem żyjącym w III/IV w. n.e., a więc niemal tysiąc lat po filozofie z Samos. Dlatego, jak to się zdarza zwolennikom bardziej entuzjastycznym niż rozumiejącym, poplątał to i owo w tej historii. Wiemy, że pragnął swymi opowieściami przewyższyć zdobywające sobie popularność historie o innym mistrzu, Jezusie Chrystusie.

Jamblich przedstawia nam etapy odkrycia: mamy więc problem (jak proporcje mogą być odwzorowane dźwiękami?), iluminację pod wpływem przypadkowego bodźca (młoty kowalskie), analizę i wyjaśnienie sensu owej iluminacji, a następnie przeprowadzenie eksperymentu, w którym początkowa sytuacja zostaje sprowadzona do najważniejszej istotnej zależności: chodzi nie młoty, lecz dźwięki; można je badać za pomocą jednakowych strun pod działaniem różnych sił naciągu.

Mamy właściwie przepis, jak należy odkrywać matematyczne prawa przyrody, oczywiście w stosownej chwili musimy otrzymać pomoc od boga, inaczej wkroczymy w jedną z tych niezliczonych ścieżek, które nigdy nie zawiodły do żadnego rozsądnego punktu. Bywa i tak, że ciąg dalszy odnajduje się po wielu latach – w tym sensie z oceną wartości pewnych prac naukowych należy poczekać.

Niestety, ciąg dalszy opowieści Jamblicha dowodzi, że nie zrozumiał on odkrycia mistrza. Nie chodzi bowiem o siły naciągu, lecz długości strun. To one muszą być w odpowiedniej proporcji. Np. kwintę otrzymamy, biorąc taką samą strunę z takim samym naciągiem, lecz o długości krótszej w proporcji 2:3. Przez wieki powtarzano błąd Jamblicha, nie zadając sobie trudu mierzenia czegokolwiek. Powszechnie sądzono, że owe proporcje zawarte są we wszystkich sposobach wydobywania dźwięków tak, jak to widzimy na ilustracji poniżej, pochodzącej z przełomu XV i XVI wieku.

W XVI wieku powiększono listę dźwięków współbrzmiących harmonijnie, uzasadniając to zresztą także na sposób pitagorejski. Gioseffo Zarlino, maestro di capella San Marco w Wenecji, proponował dołączenie 5 i 6 do starożytnego zestawu. Uzasadniał to rozmaitymi „nadzwyczajnymi” własnościami liczby sześć: jest liczbą doskonałą (równą sumie swych podzielników), sześć było dni Stworzenia itd.

Empiryczne podejście do tego zagadnienia zawdzięczamy sceptycyzmowi i jadowitemu charakterowi Vincenza Galilei, muzyka i teoretyka muzyki z Florencji. Był on uczniem Zarlina, lecz zaatakował go bezpardonowo w wydanym w roku 1589 traktacie. Uważał wszelką numerologię za nonsens i postanowił wykazać to doświadczalnie. Stosunki dźwięków nie są bowiem związane jednoznacznie ze stosunkami liczbowymi. Np. kwintę możemy uzyskać nie tylko skracając strunę w stosunku 3/2, ale także zwiększając siłę naciągu w proporcji (3/2)^2=9/4. Mamy więc następujące prawo: chcąc otrzymać dany wyższy dźwięk możemy albo skrócić strunę x razy, albo zwiększyć siłę naciągu x^2 razy. Było to pierwsze w ogóle nowożytne prawo fizyki matematycznej.
W ten sposób numerologia została pogrążona, gdyż widzimy, że równie dobrze można by wiązać kwintę z proporcją 9/4. Był to tylko jeden z wielu argumentów wysuwanych w traktacie przeciwko Zarlinowi. Vincenzo Galilei miał zdolnego syna o imieniu Galileo, któremu przekazał swój choleryczny temperament i namiętną pogardę dla umysłowej niższości. Niewykluczone, że eksperymenty nad tą kwestią prowadzili zresztą obaj razem, zapewne w roku 1588. W roku następnym Galileo uzyskał skromną posadę na uniwersytecie w Pizie. Napisał tam poemat na temat noszenia togi, w którym drwił z księży (wrogowie wszelkiej niewygody), uczonych kolegów (są jak flaszki wina: nieraz we wspaniale oplecionych butelkach zamiast bukietu czuje się wiatr albo perfumowaną wodę i nadają się tylko do tego, by do nich nasikać), a także twierdził, że chodzenie nago jest największym dobrem. Zajął się też poważnie mechaniką. Możliwe, że to ciężarki zawieszone na końcu struny w eksperymentach prowadzonych z ojcem, a nie kandelabr w katedrze, nasunęły mu myśl o wahadle.

Prawo odkryte przez Vincenza Galileo łatwo uzasadnić. Prędkość rozchodzenia się dźwięku v w strunie naciągniętej siłą T, która ma gęstość liniową (masa na jednostkę długości) \varrho równa się

v=\sqrt{\dfrac{T}{\varrho}}.

Jeśli końce struny są nieruchome, to długość powstającej fali \lambda jest dwa razy większa niż długość struny L: \lambda=2L. Zatem częstość drgań struny \nu jest równa

\nu=\dfrac{1}{2L}\sqrt{\dfrac{T}{\varrho}}.

Napięcie struny wchodzi więc w potędze 1/2, stąd wynik Vinzenza Galileo.

Johann Heinrich Lambert i Immanuel Kant: astronomia gwiazdowa po kolacji (1749, 1755)

Niegdyś młodzi uczeni zaczynali często życie zawodowe jako guwernerzy w bogatych domach. Tak było w przypadku Lamberta – syna krawca, zamieszkałego w Szwajcarii hugonockiego emigranta z Francji, i Kanta – syna siodlarza z Królewca. Obaj z czasem wyzwolili się z prostego nauczycielstwa i doszli do znacznej pozycji naukowej. Lambert został członkiem Pruskiej Akademii Nauk i wybitnym matematykiem. Kant, po wielu latach spędzonych na nauczaniu studentów, wyrósł na najważniejszego filozofa epoki, stając się nie tylko najsławniejszym profesorem w Królewcu, ale i w Niemczech, a z czasem w całej Europie.
Obaj wnieśli pewien wkład do poznania budowy Galaktyki. W tamtych czasach, pozbawionych silnych źródeł światła, wszyscy znali widok nocnego nieba. Wywierał on głębokie wrażenie na naturach skłonnych do kontemplacji. Z górą sześćdziesięcioletni Kant wciąż czerpał z tego widoku natchnienie do pracy: „Dwie rzeczy napełniają umysł coraz to nowym i rosnącym podziwem i pełnym pokory szacunkiem, im częściej i trwalej zastanawiamy się nad nimi: Gwiazdami okryte niebo nade mną i prawo moralne we mnie.” (przeł. K. Kierski). Dodawał jednak Kant w dalszym ciągu wywodu:

Atoli podziw i szacunek mogą wprawdzie pobudzić do badania, ale nie mogą zastąpić jego braku. (…) Zastanawianie się nad światem zaczęło się od najwspanialszego widoku, jaki tylko ludzkie zmysły przedstawić mogą i jaki tylko rozsądek nasz znieść może, by śledzić go w jego dalekim zakresie, a zakończyło się – astrologią. Etyka rozpoczęła od najszlachetniejszej własności ludzkiej natury, której rozwój i kultura niezmierną korzyść obiecuje, a zakończyła – fantastycznością albo zabobonem. (…) Kiedy zaś, chociaż późno, weszła w życie maksyma, aby poprzednio dobrze rozważyć wszystkie kroki, które rozum zamierza uczynić, i nie pozwolić mu postępować inaczej, jak torem przedtem dobrze obmyślanej metody, wówczas sąd o budowie świata uzyskał zupełnie inny kierunek, a z nim zarazem bez porównania pomyślniejszy wynik. Rozłożenie spadania kamienia, ruchu procy na ich pierwiastki i ujawniające się przy tym siły, tudzież matematyczne ich opracowanie, spowodowało w końcu to jasne i po wszystkie czasy niezmienne poznanie budowy świata, które przy postępującej obserwacji może spodziewać się zawsze tylko swego rozszerzenia, nigdy zaś nie potrzebuje obawiać się, że będzie musiało się cofać.

Krytyka praktycznego rozumu, z której Zakończenia pochodzą powyższe słowa, prowadzić miała do ustanowienia nauki o moralności godnej istot rozumnych. Moralność ta powinna stosować się wszędzie tam, gdzie występują takie stworzenia, Kant wierzył, że wszechświat, a nawet nasz Układ Słoneczny, pełen jest zamieszkałych planet. Wyobrażał sobie, że im dalej od Słońca, tym lotniejsze i z subtelniejszej materii zbudowane są owe istoty. Co do rasy ludzkiej nie miał wielkich złudzeń, oprócz tego jednego, że można ją nieco poprawić dzięki rozumnemu postępowaniu nauczycieli. Po dwóch wiekach możemy stwierdzić, że nawet to chyba jest niemożliwe. Nauka Kanta stosuje się jedynie do rozumnych kosmitów, jeśli gdzieś tacy istnieją.

Zostawmy więc z boku wiarę filozofa w ludzką moralność jako źródło ładu i zajmijmy się astronomią gwiazd, gdzie postęp jest niewątpliwy.

Od czasu Kopernika gwiazdy przestały jawić się jako światełka na dwuwymiarowej sferze. Przestrzeń kosmiczna zyskała trzeci wymiar. Bardzo prawdopodobne było, że odległości do gwiazd są rozmaite i otacza nas bezmiar, o jakim nie śniło się filozofom (tych, którym się to śniło, palono na wszelki wypadek na stosie). Przeżycie nowego spojrzenia na znany od dawna widok nieba było także udziałem Genezypa Kapena:

Szedł potykając się, zapatrzony w niebo, na którym odprawiało się codzienne (nie każdodzienne oczywiście) misterium gwiaździstej nocy. Astronomia taka, jaką nauczył się ją pojmować w szkole, nie przedstawiała dla niego wielkiego uroku. Horyzont i azymut, kąty i deklinacje, skomplikowane wyliczenia, precesje i nutacje nudziły go okropnie. Krótki zarys astrofizyki i kosmogonii, zagubiony w nawale innych przedmiotów, był jedyną sferą, wzbudzającą lekki niepokój, graniczący z bardzo pierwotnym wzburzeniem metafizycznym. Ale „niepokój astronomiczny”, tak bliski niekiedy wyższym stanom, wiodącym do filozoficznych rozmyślań, codzienny dzień usuwa w dzisiejszych czasach szybko, jako niepotrzebny nikomu zbytek. Idąc teraz, Genezyp miał wrażenie, że patrzy w nocne niebo po raz pierwszy w życiu. Dotąd było ono dlań, mimo wszelkich wiadomości, dwuwymiarową płaszczyzną, pokrytą mniej lub więcej świecącymi punktami. Mimo poznania teorii, uczuciowo nie wychodził nigdy poza tę prymitywną koncepcję. Teraz przestrzeń dostała nagle trzeciego wymiaru, ukazując różnice odległości i nieskończone perspektywy. Myśl rzucona z szaloną siłą okrążyła dalekie światy, starając się przeniknąć ich sens ostateczny. Wiadomości nabyte, leżące w pamięci jak bezwładna masa, zaczęły teraz wydobywać się na wierzch i grupować koło pytań postawionych w nowej formie, nie jako zagadnienia umysłu, ale jako krzyk przerażenia wszechtajemnicą, zawartą w nieskończoności czasu i przestrzeni i w tym pozornie prostym fakcie, że wszystko było właśnie takim, a nie innym.
(…)
Genezyp patrząc w gwiazdy doznawał zawrotu głowy. Góra i dół przestały istnieć — wisiał w straszliwej przepaści, amorficznej, bezjakościowej. Uświadomił sobie na chwilę aktualną nieskończoność przestrzeni: wszystko to istniało i trwało w tej właśnie sekundzie, którą przeżywał. Wieczność wydała mu się niczym wobec potworności istniejącej w nieskończonostce czasu całej nieskończonej przestrzeni i istniejących w niej światów. Jak tu pojąć tę rzecz? Coś niewyobrażalnego, co narzuca się z absolutną ontologiczną koniecznością. Ta sama tajemnica ukazała mu znowu swą twarz zamaskowaną, ale inaczej. [S.I. Witkiewicz, Nienasycenie, s. 22-23].

Dwudziestojednoletni Lambert od dzieciństwa lubił wieczorem przesiadywać przy oknie otwartym na rozgwieżdżone niebo. Widział w nim świątynię Boga, po której rozświetlonym wnętrzu może błądzić wzrokiem. Nie poprzestał na zachwycie. Zwrócił uwagę na gwiazdy widoczne na tle pasa Drogi Mlecznej. Najwyraźniej są one bliżej Słońca niż te, których światło zlewa się w naszych oczach w mglistą poświatę owego pasa. Znaczy to, że układ gwiazd jest płaskim dyskiem, wewnątrz którego się znajdujemy. Był, wedle jego własnych słów, rok 1749.

Kilka lat później, w roku 1755, Immanuel Kant, starający się o posadę na uniwersytecie, ogłosił książkę zatytułowaną ambitnie: Powszechna historia naturalna i teoria nieba i zadedykowaną królowi Fryderykowi II. Podtytuł dzieła wyjaśniał, że oparte jest ono na „prawach Newtona”. Nie wiemy, czy dziełko to dotarło do króla, niebawem drukarz zbankrutował i książka nigdy nie stała się znana. Zaczęto o niej mówić dopiero kilkadziesiąt lat później, gdy Kant zdobył sławę jako filozof i wszelkie jego pisma zaczęły zwracać uwagę.

Punktem wyjścia Kanta była myśl wyczytana w gazecie: chodziło o recenzję dzieła Thomasa Wrighta. Kant uznał, że system gwiezdny, w którym znajduje się Słońce musi być płaski i że gwiazdy poruszają się, podobnie do planet, po orbitach wokół jednego lub większej liczby centrów. Ponieważ wyczytał (u Derhama), że obserwuje się mgławice o kształcie eliptycznym, uznał, iż są to inne systemy gwiezdne widziane z ukosa: dysk wyglądać powinien wówczas jak elipsa. Słyszał też o wykryciu ruchu niektórych gwiazd: porównując dawne i nowe obserwacje astronomowie wykryli zmiany położenia kilku jasnych gwiazd.

Reszta u Kanta jest czystą spekulacją. Stara się on wykazać, że prawa mechaniki muszą prowadzić do takiego właśnie świata, jaki widzimy. W ten sposób z pierwotnego chaosu wyłonić się miał kosmos, czyli porządek. Krążenie ciał zapewnić miała druga, obok ciążenia, siła działająca we wszechświecie, a mianowicie odpychanie. Newton nie mówi wiele o siłach odpychających, choć uznawał, że działają one między cząsteczkami gazów – dzięki temu gazy rozprężają się, wypełniając całą dostępną objętość. Odpychająca siła Kanta nie jest jednak tym samym co u Newtona. Jego fizyka jest bliższa poglądom Leibniza: ruch po okręgu jest w niej stanem równowagi między siłą grawitacyjną i odśrodkową (podobnie widzą to czasem dzisiejsi studenci, co jednak nie znaczy, że studiowali Leibniza). W istocie chodzi tu nie tyle o siłę odpychającą, co o moment pędu, czyli ilość ruchu obrotowego, która musi być zachowana.

Spekulacje Kanta dość przypadkowo najbliższe były rzeczywistości i jego teoria nazwana została teorią wszechświatów wyspowych (czyli galaktyk poprzedzielanych pustą przestrzenią). Był to zbieg okoliczności: filozof z Królewca powoływał się np. na dane Williama Derhama nt. mgławic. Spośród 21 wymienionych przez niego mgławic, pięć miało być eliptycznych (naprawdę tylko jedna z nich ma kształt eliptyczny). Kant niezbyt troszczył się o fakty obserwacyjne, były one dla niego raczej punktem wyjścia do rozważań spekulatywnych.

W XVIII wieku zawodowi astronomowie nie zajmowali się ruchem gwiazd, wiedziano tylko o nieznacznych przesunięciach paru gwiazd, nie znano ich odległości, niewiele można było w tej sytuacji zrobić. Jednak Newtonowskie prawo ciążenia pozwalało na pewne wnioski. Siła przyciągająca działa między dowolnymi rodzajami materii i maleje jak odwrotność kwadratu odległości, a więc nigdy nie staje się równa zeru. Oznacza to, że niemożliwy jest wszechświat statyczny. Ciała we wszechświecie muszą się poruszać.

Dziś wiemy, że także wszechświat jako całość nie może znajdować się w spoczynku, bo byłaby to sytuacja nietrwała. Na skalę kosmiczną działa jedynie grawitacja. Inne siły, np. elektromagnetyczne, są w praktyce krótkozasięgowe (ponieważ mamy tyle samo ładunków dodatnich i ujemnych). Tym, co chroni świat od zapadnięcia się, kolapsu grawitacyjnego albo elektromagnetycznego, jest w ostatecznym rachunku nie jakiś nowy rodzaj sił, lecz inna mechanika: kwantowa. Zasada nieoznaczoności nie pozwala cząstkom zajmować dowolnie małego obszaru przestrzeni, a zakaz Pauliego sprawia, że stany kwantowe cząstek takich, jak elektrony, zajmowane są po kolei (co wyjaśnia układ okresowy pierwiastków). Możliwe są też sytuacje, kiedy grawitacja przeważa i ciało zapada się, tworząc czarna dziurę, czyli obiekt, w którym materia traci jakąkolwiek tożsamość i swoje indywidualne charakterystyki. Zostaje czysta czasoprzestrzeń ukryta za horyzontem zdarzeń. O takiej możliwości także zresztą spekulowano już w wieku XVIII.

Historia na osi czasu

Dodałem nową stronę, gdzie wpisy z tego bloga uporządkowane są chronologicznie wg epok i lat, do których się odnoszą: od starożytności po wiek XX i XXI. Jest jeszcze na końcu dział Różne, z wpisami odnoszącymi się do rozmaitych czasów. Mam nadzieję, że łatwiej będzie znaleźć artykuły na jakiś konkretny temat.

GW 170817: narodziny nowej astronomii (17 sierpnia 2017)

Komitet Noblowski, przyznając tegoroczną nagrodę, wiedział już o kolejnym efektownym potwierdzeniu istnienia fal grawitacyjnych. W sierpniu zaobserwowano bowiem bardzo długi sygnał pochodzący od fal grawitacyjnych wysyłanych przez parę gwiazd neutronowych tuż przed połączeniem się ich w nowy obiekt: być może gwiazdę neutronową (która mogła się przekształcić następnie w czarną dziurę) albo czarną dziurę. Tym razem zarejestrowano także sygnały elektromagnetyczne z tego zdarzenia, i to w wielu różnych długościach fal. Pracowały nad tym obserwatoria na całym świecie i w przestrzeni kosmicznej. To początek zupełnie nowego podejścia do obserwacji, wymagający oczywiście współpracy tysięcy ludzi. więcej szczegółów można znaleźć na filmie.

Oryginalne doniesienie z pełną listą autorów: tak wygląda współczesna astronomia. Poniżej zestawienie obserwacji z różnych urządzeń z tej pracy.

I pomyśleć, że to dopiero czterysta lat od pierwszych teleskopów. Długo w skali życia ludzkiego, lecz niezwykle krótko nawet w historii pisanej, nie mówiąc o historii naszego gatunku Homo sapiens. To jedna z chwil, gdy zasługujemy na dumny przymiotnik: sapiens.

Thomas Wright: kosmos jako ogród Boga (1750)

Kopernik odebrał Ziemi wyjątkowy status ciała centralnego, ciężkiego i bezwładnego, zbudowanego z innej materii niż świetliste i lekkie ciała niebieskie. Bardzo to uwierało rzymską Kongregację Indeksu, która w 1620 roku ogłosiła „korektę” dzieła, zalecając na użytek wiernych poprawki, np. „Ziemia nie jest gwiazdą (tzn. ciałem niebieskim), jaką ją czyni Kopernik”. Autor nie żył już od niemal osiemdziesięciu lat, ale nic to: poprawki mogli wprowadzić samodzielnie czytelnicy, by ich własne oko nie musiało się gorszyć (a przyjaciele nie donieśli komu trzeba). Jak wykazała kwerenda Owena Gingericha do zaleceń tych zastosowano się jednak niechętnie, nawet w Italii i Hiszpanii, a więc krajach ultrakatolickich, nieskażonych zarazą protestantyzmu. Poza tym im dalej od Rzymu, tym gorzej.

Zakazy kościelne okazały się patetycznie bezsilne wobec fali nowej nauki wzbierającej nawet w Italii, gdzie po skazaniu Galileusza należało uciekać się do rozmaitych wybiegów. Np. Giovanni Alfonso Borelli ogłosił teorię ruchu księżyców Jowisza, choć w oczywisty sposób chodziło mu o ruch planet wokół Słońca. Matematycznie było to to samo, a nie drażniło się inkwizycji. Nauki ścisłe i eksperymentalne opuszczały jednak Italię i rozkwitały głównie w Anglii, Holandii i Francji, dokąd nie sięgały zakazy teologów rzymskich. Protestanci z upodobaniem głosili poglądy sprzeczne z tym, co głosili „papiści”. Korelacja wyznania i wkładu do rewolucji naukowej w XVII i XVIII wieku jest wyraźna. Różnica kulturowa między Europą północno-zachodnią a południowo-wschodnią stawała się coraz głębsza. Protestantyzm był tu zresztą raczej symptomem niż przyczyną. Chrześcijaństwo Lutra i Kalwina było oczyszczone i odnowione, starało się „odczarować” świat, odrzucając magiczne aspekty religii. Tamten podział Europy istnieje do dziś, podobnie jak w badaniach społecznych widać granice zaborów w Polsce.

Uznanie wszechświata za nieskończony a Słońca za jedną gwiazd (w dzisiejszym znaczeniu tego słowa, a więc ciała niebieskiego, które świeci w zakresie widzialnym) nie wynikało z kopernikanizmu w sensie logicznym, ale było jego naturalną konsekwencją. Galileusz bardzo podkreślał, że nie tylko Ziemia nie spoczywa w środku świata, ale wszechświat zapewne nie ma w ogóle żadnego środka. Nie zgadzał się z tym jego największy współczesny Johannes Kepler, który wierzył, że Słońce spoczywa w centrum świata, a gwiazdy są światłami na nieruchomej sferze niebieskiej. Po Isaacu Newtonie nieskończony wszechświat wydawał się jedyną realną możliwością: gwiazdy w skończonym i statycznym wszechświecie musiałyby się zapaść grawitacyjnie do wspólnego środka masy. Nieskończony wszechświat mógłby teoretycznie znajdować się w stanie równowagi nietrwałej. Sytuację taką zasugerował teolog Richard Bentley w listownej dyskusji z Newtonem, a ten niechętnie uznał to za możliwe. Sam raczej sądził, że grawitacja wywołuje rzeczywiście niestabilność, ale Stwórca od czasu do czasu daje prztyczka ciałom niebieskim, aby je przywołać do porządku bądź zbudować nowy porządek. Na przykład księżyce Jowisza mogłyby być zapasowymi planetami trzymanymi na przyszłość. Hipoteza nieskończonego wszechświata prowadziła też niektórych do wniosku, że niebo w nocy powinno świecić jak powierzchnia Słońca. To poważne zastrzeżenie, które Newton, a właściwie Halley starał się obalić niezbyt przekonującymi argumentami.

Protestancka swoboda spekulacji kosmologicznych zaowocowała sporą liczbą różnych traktatów, w których starano się pogodzić prawo ciążenia i dane astronomiczne z Pismem św. Nie było tu mrożącego efektu inkwizycji. Nie tylko teologowie, ale różnego rodzaju samoucy zastanawiali się nad budową i dziejami wszechświata. Do tej ostatniej kategorii zaliczał się Thomas Wright, który niewiele chodził do szkoły. Jako syn cieśli nie mógł liczyć na głębszą edukację, tym bardziej że rozgniewany ojciec spalił mu kiedyś książki, nad którymi jego zdaniem syn spędzał zbyt wiele czasu. Terminował w zawodzie zegarmistrza, potem w sztuce budowania przyrządów nawigacyjnych. Uczył nawigacji marynarzy spędzających zimy na handlu węglem i czekaniu na sezon żeglugowy. Z czasem uczył także nauk matematycznych w domach arystokratycznych, zaczął też projektować ogrody, na co był spory popyt.

W roku 1750 Wright ogłosił książkę pt. An original theory or new hypothesis of the Universe. Obiecywał w niej wyjaśnić ni mniej, ni więcej tylko budowę wszechświata, trzymając się praw natury i zasad matematycznych – zwłaszcza te ostatnie po Newtonie były w cenie. Dzięki tej modzie wiele dam spośród arystokracji pragnęło poznać tajniki nauk ścisłych i interesowało się astronomią. Szczególną wagę przywiązywał Wright do wyjaśnienia „zjawiska Via Lactea” – czyli Drogi Mlecznej na niebie. Można przypuszczać, że słuchaczki zadawały mu często pytanie, czym jest owa Droga Mleczna. W tamtych czasach marnego oświetlenia nie sposób było nie znać widoku nocnego nieba.

Już Galileusz po pierwszych obserwacjach przez teleskop twierdził, że Droga Mleczna to nagromadzenie słabych gwiazdek, które zlewają się w jednolitą poświatę. W czasach Wrighta wiedziano więcej na temat odległości gwiazd. Przede wszystkim starano się wykryć paralaksę roczną – zjawisko pozornego przemieszczania się gwiazd po sferze niebieskiej w rytmie obiegów Ziemi wokół Słońca. Albo Kopernik nie miał racji, albo gwiazdy były bardzo daleko. Ponieważ po Newtonie system heliocentryczny nabrał sensu fizycznego, więc należało przyznać, że odległości gwiazd od Słońca są niewiarygodnie wielkie. Paralaksa roczna z pewnością nie przekraczała 20”, na co wskazywały obserwacje Jamesa Bradleya. Oznaczałoby to, że gwiazdy są dalej niż 1000 odległości Saturna od Słońca. Można też było oszacować tę odległość na podstawie obserwowanej jasności. Należało wówczas założyć, że gwiazdy są takie jak Słońce i ich obserwowana jasność jest wyłącznie skutkiem ich oddalenia od nas. Newton szacował na tej podstawie, że odległość jasnych gwiazd jest rzędu 100 000 odległości Saturn-Słońce (*). Wszechświat był zatem bardzo pusty i gdyby nawet miał się zapaść, to nie nastąpiłoby to zbyt szybko – musimy pamiętać, że wiek świata liczono w tysiącach lat, zgodnie z Biblią. Newton (nb. fundamentalista biblijny) podał jednak oszacowanie wieku Ziemi na podstawie eksperymentów z czasem stygnięcia na co najmniej 50 000 lat. Wright następująco przedstawił znany wówczas Układ Słoneczny wraz z wydłużonymi orbitami komet (w roku 1750 nie zaobserwowano jeszcze żadnego przypadku komety okresowej).

Odległość do Syriusza, najjaśniejszej gwiazdy na niebie, a więc zapewne także najbliższej przedstawił Wright na środkowym rysunku poniżej (nie udało mu się zachować proporcji). Na dolnym mamy proporcje orbit planetarnych, ukazujące, jak pusto jest nawet w samym Układzie Słonecznym.

Najważniejsze wszakże miało być objaśnienie, czemu widzimy Drogę Mleczną. Najlepiej przedstawia to rysunek.

Jeśli Słońce jest gwiazdą A na rysunku i znajduje się wewnątrz płaskiego zbiorowiska gwiazd, to patrząc w kierunku H albo D widzimy wiele gwiazd, a w kierunku B i C niezbyt wiele. W ten sposób układ gwiazd będzie nam się jawił jako pas wokół sfery niebieskiej.

Mniej więcej w tym miejscu kończy się wkład Wrighta do kosmologii i astronomii. Recenzję z jego książki, bez rysunków, przeczytał w pewnym czasopiśmie pewien zupełnie nieznany magister na prowincjonalnym uniwersytecie w Królewcu. Nazywał się Immanuel Kant i kilka lat później zainspirowany pomysłami Wrighta napisał całą książkę na temat wszechświata. Długo pozostawała ona nieznana, właściwie zwrócono na nią uwagę dopiero po latach, kiedy Kant zdobył sławę, lecz nie jako astronom, tylko jako twórca systemu filozofii.

Thomas Wright nie ograniczył się do tego, co wiadomo z obserwacji i teorii naukowych. Pragnął przede wszystkim zbudować model wszechświata, w którym jest przestrzenne miejsce dla Zbawienia i Potępienia. Jak niemal wszyscy wówczas, traktował dane religijne jako równie pewne jak naukowe. Tradycyjny średniowieczny model świata zawierał Piekło w środku Ziemi i Raj poza sferą gwiazd stałych. Wright spróbował niejako przenicować ten model: w środku miał się znajdować Raj, na zewnątrz, w ciemnościach, Piekło.

Pomysł Wrighta polegał na tym, że wszechświat jest trwały, bo gwiazdy poruszają się po orbitach wokół centrum. Nieporządek wśród gwiazd jest pozorny, patrzymy po prostu z niewłaściwego miejsca. Wcześniej o czymś takim rozmyślał Johannes Kepler, który pisał:

Musielibyśmy bowiem uznać, że Bóg uczynił coś w świecie bez powodu, nie kierując się najlepszymi racjami. Nikt nie przekona mnie do takiego poglądu, gdyż sądzę, że [rozumny ład] panuje nawet wśród gwiazd stałych, których położenia wydają nam się zupełnie bezładne, niczym ziarno rzucone przypadkiem w zasiewie. (Tajemnica kosmosu, rozdz. 2)

Wright go chyba nie czytał, zaczerpnął pomysł zapewne od Williama Whistona, arianina i następcy Newtona na katedrze Lucasa w Cambridge (Whiston miał poglądy religijne zbliżone do Newtona, lecz w odróżnieniu od swego poprzednika głosił je otwarcie, toteż go zwolniono).

Gdyby nasza perspektywa była taka jak Stwórcy, dostrzeglibyśmy ład.

Rzeczywisty obraz wszechświata jest bowiem taki

Słońce A zawarte byłoby wewnątrz ogromnej cienkiej powłoki kulistej. Inną rozpatrywaną przez śmiałego ogrodnika możliwość przedstawia rysunek poniżej:

Takich systemów gwiezdnych miało być nieskończenie wiele.

Oczywiście, wszystko to było czystą fantazją Thomasa Wrighta, który z upodobaniem mieszał rozmaite symbole chrześcijańskie, masońskie i starożytne. Zachował się następujący plan ogrodu kuchennego autorstwa Wrighta, wzorowany na kosmosie.

(*) Interesujące są szczegóły oszacowania odległości do gwiazd. Newton podał je w swoim De mundi systemate liber, czyli popularnej wersji III księgi Matematycznych zasad filozofii przyrody. Metoda opublikowana została w 1668 roku przez szkockiego matematyka Davida Gregory’ego. Co zabawne, oszacowanie to znalazło się w książce opublikowanej w Padwie, a więc za zgodą władz kościelnych, które widocznie nie przyglądały się zbyt dokładnie zawartości książki albo cenzor uznał, że formalnie jest to tylko hipoteza, a więc nie twierdzenie i nie może przeczyć prawdzie natchnionego tekstu. Trudność była w porównaniu jasności Słońca z jasnością jakiejś gwiazdy, nikt nie potrafił wówczas mierzyć jasności. Tak się jednak składa, że planeta Saturn ma średnicę kątową 17” albo 18”. Saturn świeci dla oka niezuzbrojonego jak gwiazda pierwszej wielkości. Znaczy to, że na tę planetę pada 1/(21\cdot 10^8) światła słonecznego, bo w takiej proporcji jest pole powierzchni dysku planety \pi r^2 do pola powierzchni sfery o promieniu R równym wielkości orbity Saturna. mamy

\dfrac{\pi r^2}{4\pi R^2}=\dfrac{1}{4}\left(\dfrac{r}{R}\right)^2.

Wielkość w nawiasie to promień dysku Saturna w radianach. Jeśli przyjmiemy, że jedna czwarta światła słonecznego jest odbijana od powierzchni Saturna, to znaczy, że dysk Saturna świeci 42\cdot 10^8 razy słabiej niż Słońce. A więc gwiazda pierwszej wielkości jest \sqrt(42)\cdot 10^4 razy dalej niż Saturn. Zaokrąglając w górę, otrzymał Newton wartość 100 000. Gregory otrzymał z podobnego rachunku 83 190 jednostek astronomicznych, czyli odległości Ziemia-Słońce, a więc o rząd wielkości mniej. Istniało też oszacowanie Huygensa 27 664 jednostek astronomicznych.

Statyczny wszechświat nie może być stabilny, ten problem przenosi się na teorię grawitacji Einsteina. W przypadku Newtonowskim można łatwo oszacować z III prawa Keplera czas spadku gwiazdy na Słońce, byłby on dla danych Newtona rzędu 30\cdot 10^{5\cdot 3/2}\approx 10^9, liczba 30 to okres obiegu Saturna w latach.