John James Waterston: nikomu niepotrzebny pionier teorii kinetycznej (1845)

Wśród całej rzeszy zapoznanych geniuszy, pechowych wynalazców i myślicieli, których nikt nie chciał słuchać, Waterston zajmuje miejsce szczególne: nie tylko był niedocenionym prekursorem, ale dożył też czasów, gdy jego koncepcje odkryli na nowo inni – i odnieśli dzięki nim naukowy sukces. Nawet wtedy nie został doceniony, historia nauki bez Waterstona wyglądałaby prościej i logiczniej. Do dziś rzadko wspomina się o nim w podręcznikach.

Urodzony w Edynburgu, syn wytwórcy laku do pieczętowania korespondencji, należał do kongregacji protestanckiej sandemanian – założonej niemal sto lat wcześniej przez Johna Glasa i Roberta Sandemana. Sandemanianie (albo glasyci) kultywowali proste chrześcijaństwo będące wspólnotą wiernych, w której decyzje zapadały jednomyślnie i każdemu wolno było wygłaszać kazania. Wykształcony w znakomitej Edinburgh High School, terminował później w zawodzie inżyniera budowlanego, lecz uczęszczał także na wykłady na uniwersytecie, gdzie wyróżniał się w matematyce i fizyce, choć uczył się także chirurgii, anatomii i chemii i należał do studenckiego towarzystwa literackiego. Przeniósł się później do Londynu i trafił do Wydziału Hydrografii w Admiralicji. Jego przełożonym był tam kapitan (późniejszy admirał) Francis Beafort, autor skali siły wiatru i organizator różnych przedsięwzięć badawczych, jak wyprawa okrętu „Beagle” wsławiona udziałem Charlesa Darwina. Beafort zaprotegował Waterstona na nauczyciela szkoły kadetów w Bombaju i młody człowiek wyjechał tam na osiemnaście lat. W tym czasie napisał kilka prac naukowych, z których najważniejszą – długą rozprawę o własnościach gazów – przesłał w roku 1845 do Towarzystwa Królewskiego do publikacji w „Transactions”.

Waterston zaproponował w niej prosty model gazu, w którym cząsteczki zderzają się ze sobą oraz ze ściankami naczynia. Ich chaotyczny ruch jest więc odpowiedzialny za znany fakt, iż gaz wypełnia zawsze całą dostępną mu objętość. Bombardowanie ścianek naczynia przez cząsteczki jest fizyczną przyczyną wywierania przez gaz ciśnienia. Model ten objaśnia poprawnie równanie stanu gazu doskonałego i pozwala zrozumieć szereg własności gazu. Ciśnienie p gazu N cząstek o masie m zamkniętego w objętości V zależy od średniej wartości prędkości cząsteczek i równe jest

p=\dfrac{Nm\overline{v^2}}{3V} \Rightarrow pV=\dfrac{N m\overline{v^2}}{3}.

Jeśli porównać drugie równanie z równaniem stanu gazu doskonałego, widać, że temperatura związana jest ze średnią energią kinetyczną cząstek gazu. Jeśli więc mamy dwa rodzaje cząsteczek, to ustalenie się jednakowej temperatury będzie oznaczać inną średnią prędkość dla każdego rodzaju cząsteczek:

m_1\overline{v_1^2}=m_2\overline{v_2^2}.

Są to podstawy dzisiejszej teorii kinetycznej gazu. Jak zareagowali na pracę Waterstona dwaj anonimowi recenzenci Towarzystwa Królewskiego? Ich tożsamość została ujawniona dopiero w 1965 roku. Pierwszy, wielebny Baden Powell, profesor geometrii w Oksfordzie, stwierdził, iż założenia Waterstona „nie stanowią zadowalającej podstawy do teorii matematycznej” i pomimo że „praca świadczy o znacznej biegłości i przedstawia wiele godnych uwagi zbieżności ze znanymi faktami oraz wyniki liczbowe otrzymane w doświadczeniach” nie zasługuje na publikację. Drugi, sir John Lubbock, absolwent Eton i Trinity College w Cambridge, był bankierem, a także zajmował się astronomią, choć bez szczególnego powodzenia, trudno znaleźć jakieś jego prace, które by cokolwiek wniosły do nauki. Dziś znany jest głównie z tego, że w roku 1846 zamieszkał w sąsiedztwie Charlesa Darwina i obaj utrzymywali dość bliskie stosunki. Lubbock stwierdził, że rozprawa to „czysty nonsens, nie nadaje się nawet do tego, by ją odczytać na zebraniu Towarzystwa Królewskiego”. Dwie negatywne recenzje zamknęły sprawę Waterstona. Zgodnie z zasadami Towarzystwa rękopis pozostał zamknięty w jego archiwum, nieopatrzny autor nie miał drugiego egzemplarza i już jej nie odtworzył. Pracę tę znalazł niemal pół wieku później lord Rayleigh i doprowadził do jej publikacji z komentarzem, iż mogła przyspieszyć rozwój badań w tej dziedzinie o piętnaście lat. Byłoby tak, gdyby praca Waterstona napotkała życzliwego i kompetentnego czytelnika albo gdyby jej autor wykazał więcej wiary w siebie i dalej rozwijał swe pomysły. Założenia Waterstona, choć wcale nie absurdalne, sprzeczne były z ówcześnie przyjętymi poglądami, to znaczy przesądami panującymi w owej chwili wśród uczonych. Ciepło uważano zwykle za nieważki fluid, który przechodzi od ciała do ciała, a ci, którzy sądzili, że jest ono związane z ruchem cząsteczek, myśleli przy tym o ruchu drgającym bądź obrotowym, a nie translacyjnym.

Bratanek Waterstona, który nic nie wiedział o całej sprawie, pisał do Rayleigha, że stryj bardzo się zawsze denerwował, kiedy ktoś wspominał w jego obecności o brytyjskim establishmencie naukowym albo Towarzystwie Królewskim, i posuwał się w takich razach nawet do nieparlamentarnego słownictwa.

Światło dzienne ujrzało tylko krótkie streszczenie idei Waterstona w roku 1851 w materiałach Brytyjskiego Towarzystwa Krzewienia Nauk.

reportofbritisha51brit

Czemu Waterston został zignorowany przez brytyjską elitę? Po pierwsze miał niską pozycję społeczną, znacznie wyrozumialej odnoszono się do gentlemanów, nawet gdy bredzili. Po drugie, przebywał w Bombaju i nikt go nie znał w Londynie. Wtedy, tak samo jak dziś, opinie środowiskowe bardzo się liczyły, zastępując samodzielne myślenie, które jest czynnością męczącą, toteż większość ludzi stara się go unikać. W tym samym czasie pozycję naukową zdobywał Charles Darwin. Był jednak gentlemanem, absolwentem Cambridge i potrafił utrzymywać odpowiednie kontakty, dopiero później przeprowadził się na wieś. Zaczął od prac geologicznych, zaprzyjaźnił się z Lyellem, ówczesną wschodzącą gwiazdą, życzliwie patrzył na niego konserwatywny Adam Sedgwick z Cambridge. Kiedy już opublikował trochę prac w mniej prestiżowych pismach, posłał długą rozprawę do „Transactions of the Royal Society” i został dzięki niej przyjęty na członka Towarzystwa (nb. ten jego artykuł, poświęcony tarasom skalnym w Glen Roy, okazał się ogromną pomyłką naukową, ale zgodny był najwyraźniej z tym, czego oczekiwali recenzenci). Dopiero po wielu latach zdecydował się Darwin wystąpić publicznie z ideą ewolucji.

John_James_Waterston_755

Waterston dowiedział się z czasem, że jego praca nie była tak oryginalna, jak sądził. Daniel Bernoulli i Leonhard Euler szli w tym kierunku sto lat wcześniej (choć nie otrzymali prawidłowego wzoru na ciśnienie gazu). Był jeszcze prekursor brytyjski, John Herapath, który dwadzieścia lat wcześniej głosił pewne podobne idee (popełniając przy tym więcej błędów niż Waterston). Także Herapath nie przebił się do świadomości uczonych brytyjskich, w jego przypadku negatywną rolę odegrał Humphry Davy, skądinąd znany i zasłużony uczony. Tak więc Waterston mógł z czasem stracić sporo pewności siebie, słysząc o poprzednikach. Jego pojmowanie religii chrześcijańskiej nie pozwalało mu na zabiegi wokół osobistego sukcesu (choć Michael Faraday, też sandemanianin, zdobył wielki i zasłużony rozgłos naukowy). Cała ta historia nie ma happy endu. Waterston trochę jeszcze publikował, lecz bez powodzenia. Bardzo lubił spacery po falochronie w Leith, pewnego dnia nie wrócił z takiego spaceru, najprawdopodobniej zabrała go fala, nie wykazywał bowiem żadnych skłonności samobójczych. Ciała nigdy nie znaleziono.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s