Hermann Minkowski i czasoprzestrzeń (1908)

We wrześniu roku 1908 na Zjeździe Niemieckich Przyrodników i Lekarzy  w Kolonii odczyt wygłosił Hermann Minkowski, matematyk z Getyngi. Powiedział tam:

Poglądy na przestrzeń i czas, które zamierzam tu rozwinąć, wyrosły z gruntu doświadczalno-fizykalnego. Tendencja ich jest radykalna. Odtąd przestrzeń w sobie i czas w sobie mają całkowicie stać się cieniami i tylko pewien rodzaj ich unii utrzymać ma samodzielność. („Wiadomości matematyczne”, t. 13, z. 5-6 (1909), s. 231.)

Chodziło w istocie o usunięcie sprzeczności miedzy dwiema wielkimi teoriami fizyki: mechaniką Newtona i elektrodynamiką Maxwella i Lorentza. Elektrodynamika przewidywała istnienie fal elektromagnetycznych, które w próżni rozchodzić się miały z prędkością światła c. Zbieżność wynikającej z teorii wartości z mierzoną prędkością światła była silnym argumentem za teorią Maxwella. Aby jednak wyznaczyć prędkość czegokolwiek, w tym impulsu świetlnego, musimy sprecyzować układ odniesienia, np. układ współrzędnych kartezjańskich. W jakim układzie odniesienia prędkość światła i innych fal elektromagnetycznych równa się dokładnie c? Sądzono powszechnie, że istnieje pewien nieruchomy ośrodek, eter, w którym rozchodzą się fale elektromagnetyczne, podobnie jak fale dźwiękowe w powietrzu albo innym ośrodku sprężystym. Eter długo zresztą pokutował w mowie potocznej jako „fale eteru”. Ponieważ Ziemia porusza się wokół Słońca, więc nie może zawsze spoczywać względem eteru, a skoro tak to obserwowana na Ziemi prędkość światła nie może być zawsze i w każdym kierunku taka sama. Wektorowe składanie prędkości wynika jednoznacznie z mechaniki Newtona, która miała za sobą dwa wieki sukcesów. Eksperymenty prowadzone przez wiele lat, głównie przez Alberta Michelsona, nie wykazywały żadnych efektów ruchu Ziemi: ani o żadnej porze roku, ani w piwnicy, ani w górach. Hendrik Lorentz wykazał, że można ocalić spójność fizyki za cenę wprowadzenia dość osobliwego założenia o skracaniu się ciał wzdłuż kierunku ruchu. Wprowadził też dodatkowy czas t', pewną matematyczną fikcję, która sprawiała, że równania elektrodynamiki nie zmieniały się w poruszającym się układzie odniesienia. Dopiero Albert Einstein rozciął ów węzeł gordyjski, stwierdzając, że pojecie eteru jest „zbędne”, nie istnieje żaden uprzywilejowany układ odniesienia. W każdym układzie odniesienia prawa fizyki: zarówno mechaniki, jak i elektrodynamiki mają taką samą postać (dokładnie w układzie inercjalnym, tzn. takim, który nie porusza się ruchem przyspieszonym, jak hamujący autobus bądź karuzela w ruchu). Oznacza to w szczególności, że prędkość światła zmierzona przez każdego obserwatora będzie równa c. Ceną za usunięcie sprzeczności była fundamentalna zmiana w pojęciu czasu. Jak pisał Minkowski w dalszym ciągu swego wykładu:

Lecz dopiero zasługą jest A. Einsteina wykazanie ścisłe, że czas jednego elektronu jest tak dobry jak drugiego, tj. że t i t' należy traktować jednakowo.

Einstein był młody i nie pracował na uniwersytecie w Getyndze, lecz w Biurze Patentowym w Bernie. Obie te okoliczności pozwoliły mu na przyjęcie radykalnego rozwiązania, że wyniki pomiaru czasu mogą zależeć od ruchu układu odniesienia. Do tej pory czas miał być absolutną miarą zmian w świecie fizycznym. Pogląd Newtona, zakorzeniony w jego metafizyce i teologii, stał się niewzruszony dla następnych pokoleń uczonych. Młodość oznaczała w tym wypadku pewną bezwzględność w stosunku do szacownych poprzedników. W zasadzie klocki pojęciowe zostały już uformowane przez Lorentza i Henri Poincarégo, Einstein ustawił je tylko w pozornie paradoksalny sposób, nie troszcząc się o wrażliwość starego pokolenia. Ustawienie to przetrwało do dziś. Z Lorentzem zresztą się później zaprzyjaźnił, Poincaré, przyznając mu naukową rangę, mocno się dystansował od jego ujęcia. Dlaczego pomogło mu, że nie pracował w Getyndze? Młody Albert porzucił gimnazjum w Monachium, nie mając jeszcze szesnastu lat, i wyjechał z Niemiec, zrzekł się też wkrótce obywatelstwa Królestwa Wirtembergii, a tym samym Rzeszy Niemieckiej. Nie cierpiał niemieckiego ducha posłuszeństwa, uważał, że w gimnazjum jest jak w wojsku. W rezultacie studiował na Politechnice w Zurychu, która była uczelnią gorszą niż uniwersytety niemieckie albo Uniwersytet Wiedeński. Prawie nie miał tam fizyki teoretycznej oprócz jednego wykładu Minkowskiego, gdzie omawiane były kwestie takie jak włoskowatość, a więc zupełnie już przestarzałe z punktu widzenia fizyka. Einstein nauczył się wszystkiego sam. Po studiach, ponieważ był dość pyskaty, nie znalazł miejsca na uczelni. Nie chcieli go nawet do prowadzenia ćwiczeń ze studentami, których na politechnice było dużo i które były tak samo wtedy, jak i dziś, niezbyt rozwijające intelektualnie. Urząd patentowy był pracą zastępczą. Przedtem różne uniwersytety z całej niemal Europy zdążyły odrzucić podania młodego absolwenta. Gdyby miał szczęście i zaczął pracować w Getyndze, wśród wybitnych matematyków i fizyków, trudniej byłoby mu zachować niezależność. Tamtejsza szkoła wywierała silne piętno na pracujących tam uczonych. Minkowski, który z Zurychu przeniósł się do Getyngi, miał niezbyt wysokie pojęcie o Einsteinie, który niewiele zresztą chodził na wykłady czysto matematyczne (choć stopnie z egzaminów miał dobre, uczył się w ostatniej chwili). Ujmując rzecz ogólnie: Pan Bóg wiedział, co robi, tworząc odrębne profesje matematyków i fizyków. David Hilbert i Felix Klein interesowali się fizyką, ale osiągnięcia, zarówno ich własne, jak i młodszych kolegów w tej dziedzinie były wybitne, a jednocześnie jakoś chybione. Powstawały prace eleganckie, lecz puste z punktu widzenia fizyka. Toteż lepiej, że Einstein nie musiał walczyć z presją tamtejszego środowiska. Możliwe zresztą, że by sobie poradził, bo miał wyjątkowo silny charakter. Sam zresztą mówił, że charakter ważniejszy jest od talentu, chodziło mu o to, żeby robić swoje, nie myśląc, że to się może nie udać. Fizyka w jego wydaniu to były niemal zawsze prace, które mogły się udać albo okazać kompletnym nieporozumieniem. Charakter potrzebny był mu do podejmowania ryzyka i nieprzejmowania się porażkami, których zawsze jest więcej niż sukcesów.

Wprowadzona przez Minkowskiego czasoprzestrzeń stała się trwałą częścią fizyki. Teoria względności, naruszając niezmienność czasu, wciąga go niejako do gry, pozwalając mu mieszać się z przestrzenią. Ze współczesnego punktu widzenia prędkość światła jest jedynie przelicznikiem między czasem a odległością. Stała c ma obecnie pewną wartość zadekretowaną przez międzynarodowe porozumienia. Żeby mieć te same jednostki na osiach możemy umieszczać ct oraz współrzędne x,y,z (będziemy też czasem pisać po prostu t zamiast $ct$). W czasoprzestrzeni punktami są zdarzenia o określonych współrzędnych (x, y, z, ct). Wygląda to tak dla czasoprzestrzeni (2+1)-wymiarowej:

Powiedzmy, że O jest zdarzeniem, które nas szczególnie interesuje. Zdarzenia, które mogły wywrzeć wpływ na O albo leżą na stożku przeszłości, jak Y – sygnał świetlny mógł dotrzeć do O. Stożek przeszłości, to wszystko, co widzimy: galaktykę w Andromedzie widzimy taką, jaka była dwa miliony lat temu, bo tyle czasu potrzebuje światło, aby do nas dotrzeć. Wszystkie zjawiska, które mogłyby wpłynąć na O leżą na stożku przeszłości albo wewnątrz niego, jak X. Analogiczną rolę pełni stożek przyszłości: leżą na nim albo wewnątrz niego wszystkie zdarzenia, na które O może (w zasadzie) mieć wpływ. Natomiast zdarzenia takie, jak A nie są w żadnym związku przyczynowym ani skutkowym z O. Struktura taka pozostaje niezmienna dla każdego obserwatora, choć inaczej on umiejscowi poszczególne punkty obrazka. To, co pozostaje nienaruszone, to wyżej opisane relacje: jeśli np. X było w stożku przeszłości względem O, to zawsze tak będzie, choć położenie X wewnątrz stożka może się różnym obserwatorom wydać różne.

Pokażemy teraz, jakie wartości różni obserwatorzy przypisują tym samym zdarzeniom. Fizyka powinna być niezależna od układu współrzędnych. Możemy np. obrócić układ współrzędnych w płaszczyźnie xy. Każdy punkt P=(x,y) w nowym układzie osi będzie miał nowe współrzędne (x',y').

\begin{cases}x'=x\cos\varphi-y\sin\varphi \\y'=y\cos\varphi+x\sin\varphi.\end{cases}

Transformacja ta nie zmienia odległości punktu P od początku układu współrzędnych, zatem:

x^2+y^2=x'^2+y'^2.

Łatwo sprawdzić, że wypisane wyżej równania spełniają ten warunek, po drodze musimy skorzystać z jedynki trygonometrycznej \sin^2\varphi+\cos^2\varphi=1.

Możemy też zmienić układ współrzędnych nieprimowany na poruszający się ruchem jednostajnym układ primowany.

Klasyczny i „zdroworozsądkowy” związek między współrzędnymi przyjmie teraz postać:

\begin{cases}x'=x-vt\\y'=y\\t'=t.\end{cases}

Jest to tzw. transformacja Galileusza. Prawidłową transformacją jest jednak tzw. transformacja Lorentza. Minkowski spojrzał na nią w sposób geometryczny, jak na przekształcenie, które zachowuje następującą wielkość (odtąd zachowujemy tylko x,t, współrzędne y,z nie zmieniają się, gdy ruch zachodzi w kierunku osi x):

x^2-t^2=x'^2-t'^2.

Widzimy tu analogię do obrotów, różny jest tylko znak. Wielkość ta zwana jest interwałem czasoprzestrzennym i tym się różni od kwadratu odległości, że może przyjmować znaki zarówno dodatnie, jak i ujemne. Nowe i stare współrzędne muszą leżeć na jednej gałęzi hiperboli albo na jednej linii prostej (stożek). Narysowaliśmy jeden z możliwych przypadków:

Możemy wprowadzić nowe współrzędne:

\begin{cases}x_{-}=x-t\\x_{+}=x+t.\end{cases}

Zgadujemy następującą postać transformacji Lorentza:

\begin{cases}x'_{-}=e^{\varphi}x_{-}\\x'_{+}=e^{-\varphi}x_{+}.\end{cases}

Łatwo zauważyć, że wielkość interwału czasoprzestrzennego jest zachowana (wzory skróconego mnożenia). Przy okazji widać też, że transformacji odwrotnej odpowiadać będzie parametr -\varphi, a przy złożeniu dwóch ruchów parametry się dodadzą. Nie wiemy tylko jeszcze, jaki jest sens parametru \varphi, powinien on być jakoś związany z prędkością jednego układu względem drugiego. Wracając do zwykłych współrzędnych x,t, otrzymamy

\begin{cases}x'=x\cosh\varphi-t\sin\varphi\\t'=t\cosh\varphi-x\sinh\varphi.\end{cases}

Prędkość układu primowanego, to prędkość ruchu punktu x'=0. Korzystając z tego, dostajemy

v=\dfrac{x}{t}=\dfrac{\sinh\varphi}{\cosh\varphi}=\mbox{tgh }\varphi.

Przy małych wartościach \varphi jest równe prędkości. Widzimy też, że prędkość mieści się w przedziale (-c,c). Dla tangensów hiperbolicznych istnieje wzór podobny, jak w zwykłej trygonometrii:

u=\mbox{tgh }(\varphi_1+\varphi_2)=\dfrac{\mbox{tgh }\varphi_1+\mbox{tgh }\varphi_2}{1+\mbox{tgh }\varphi_1 \mbox{tgh }\varphi_1}=\dfrac{v_1+v_2}{1+v_1 v_2}.

Itd. itp. Łatwo można dalej wyprowadzać wnioski z postaci transformacji Lorentza.

 

Reklamy

Emmy Noether i jej twierdzenie, część II (1918) Albo: Formalizm Lagrange’a w kwadrans

Podamy tu uproszczoną postać twierdzenia Noether, słuszną w mechanice punktów materialnych. Najważniejsze zastosowania tego twierdzenia dotyczą sytuacji ogólniejszej, to znaczy pól, czyli pewnych funkcji zależnych od położenia i czasu. Uogólnienie jest zresztą dość oczywiste. Jeszcze jedna rzecz: Noether udowodniła dwa twierdzenia, nas interesuje tu tylko pierwsze z nich.

Zaczniemy od mechaniki w sformułowaniu Lagrange’a. Zamiast mówić o siłach, możemy użyć energii potencjalnej V i zbudować lagranżian {\cal L}=E_k-V. Dwa przykłady, które nam się w dalszym ciągu przydadzą:

Przykład 1 Jednowymiarowy ruch dwóch punktów materialnych o współrzędnych x_1, x_2 oraz masach m_1, m_2. Energia potencjalna zależy tylko od względnego położenia obu punktów (co oznacza, że oddziałują one tylko na siebie nawzajem, nie ma żadnych sił zewnętrznych). Lagranżian ma postać:

{\cal L}=\dfrac{m_1\dot{x_1}^2}{2}+\dfrac{m_2\dot{x_1}^2}{2}-V(x_1-x_2).

Kropki oznaczają pochodne po czasie: pochodna współrzędnej po czasie to oczywiście prędkość.

Przykład 2 Punkt na płaszczyźnie poruszający się w potencjale zależnym tylko od odległości od pewnego punktu centralnego (jak planety wokół Słońca). Lagranżian ma w tym przypadku postać:

{\cal L}=\dfrac{m\dot{x}^2}{2}+\dfrac{m\dot{y}^2}{2}-V(\sqrt{x^2+y^2}).

Zauważmy, że te lagranżiany są dość podobne: w obu mamy do czynienia z dwoma stopniami swobody. Z formalnego punktu widzenia to liczba stopni swobody jest ważna, a nie liczba cząstek. Będziemy pisać lagranżian w postaci ogólnej jako {\cal L}={\cal L}(q,\dot{q}), co znaczy, że współrzędnymi są q. Lagranżian będzie też zależał od prędkości \dot{q}. Gdyby liczba stopni swobody była n to powinniśmy te współrzędne ponumerować jakimś wskaźnikiem i=1\ldots n. Wolimy nie wypisywać tych wskaźników, żeby nie gmatwać zapisu.

Następny krok to równania ruchu. Zamiast praw Newtona stosujemy zasadę najmniejszego działania i otrzymujemy równania Lagrange’a. Konkretnie wygląda to tak, tworzymy działanie S,

\displaystyle{S=\int_{0}^{\tau}{\cal L} (q, \dot{q}) dt.}

Szukamy minimum działania (dokładnie: ekstremum), wyobrażając sobie, że do ruchu q=q(t) dodajemy niewielką funkcję \delta q(t). Żądamy teraz, aby zmiana (wariacja) działania znikała. Rozpatrujemy przy tym z założenia tylko takie ruchy, które zaczynają się kończą w ustalonych punktach. Sytuację tę ilustruje rysunek poniżej. Oczywiście do \dot{q} musimy dodać pochodną \dot{\delta q}=\delta\dot{q}.

Łatwo teraz pokazać (co robimy na końcu), że

\delta S=0\iff \dfrac{\partial {\cal L}}{\partial q}-\dfrac{d}{dt}\dfrac{\partial {\cal L}}{\partial\dot{q}}=0.

Otrzymaliśmy równania Lagrange’a, które zastępują teraz równania Newtona. W gruncie rzeczy przypominają one równania Newtona: pochodna po czasie z pewnej wielkości p\equiv \frac{\partial {\cal L}}{\partial \dot{q}} nazywanej pędem uogólnionym jest równe sile (uogólnionej). Sprawdźmy to na przykładzie pierwszym. Mamy w istocie dwa równania dla obu naszych zmiennych:

\begin{array}{l}-V'(x_1-x_2)=\dfrac{d}{dt}(m_1 \dot{x_1})\\  \\  V'(x_1-x_2)=\dfrac{d}{dt}(m_2 \dot{x_2}).\end{array}

W równaniach tych V' oznacza pochodną, dostajemy parę sił o przeciwnych znakach, czyli spełniona jest III zasada dynamiki, jak być powinno. Na razie wygląda to wszystko na zawiły sposób sformułowania prostych równań Newtona. Lagrange wiedział jednak, co robi i czemu ogólniejsze podejście jest lepsze. Sformułowanie Lagrange’a łatwo pozwala zastosować inne zmienne niż kartezjańskie. Nasz przykład 2 ma symetrię radialną. Możemy użyć zamiast współrzędnych kartezjańskich współrzędnych biegunowych r, \varphi. Lagranżian przyjmuje wówczas postać:

{\cal L}=\dfrac{m\dot{r}^2}{2}+\dfrac{mr^2\dot{\varphi}^2}{2}-V(r).

Teraz lagranżian nie zależy od jednej ze zmiennych (\varphi), mamy więc dla niej proste równanie:

\dfrac{d}{dt}(mr^2 \dot{\varphi})=0

Inaczej mówiąc, wielkość p_{\varphi}=J=mr^2\dot{\varphi} jest stała. Okazuje się, że pędem uogólnionym sprzężonym z \varphi jest moment pędu J, jak powinno być, gdyż energia potencjalna nie zależy od kierunku, a więc siły są centralne (skierowane do albo od początku układu współrzędnych). Widzimy, że zastosowanie sprytnie dobranych współrzędnych upraszcza nam od razu problem. Jeśli tylko znajdziemy odpowiednie współrzędne, to niektóre pędy uogólnione będą stałe podczas ruchu.

Twierdzenie Noether pozwala nam od symetrii lagranżianu przejść od razu do pewnej wielkości, która musi być zachowana podczas ruchu. Nie musimy przy tym wymyślać jakichś szczególnych współrzędnych. Każdej symetrii odpowiada pewna wielkość, która nie zmienia się z czasem.

Zaczniemy od określenia, czym jest symetria. Żądamy, aby podstawienie (gdzie \delta q jest niewielkie):

\begin{array}{l} q(t) \rightarrow  q(t)+\delta q(t)\\  \\  \dot{q}(t) \rightarrow  \dot{q}(t)+\delta \dot{q}(t).\end{array}

nie zmieniało lagranżianu:

{\cal L}(q,\dot{q})={\cal L}(q+\delta q, \dot{q}+\delta\dot{q}).

Twierdzenie Noether głosi, że wielkość A określona równaniem

A=\delta q_i\dfrac{\partial {\cal L}}{\partial \dot{q_i}}\equiv \delta q_i \cdot p_i

nie zmienia się podczas ruchu. Wprowadziliśmy tu wskaźniki numerujące stopnie swobody, należy po nich wysumować. Dowód można znaleźć na końcu tekstu.

Najłatwiej wyjaśnić sens twierdzenia na naszych przykładach. W pierwszym z nich operacja przesunięcia jednocześnie obu punktów materialnych o wspólną niezależną od czasu wielkość \delta a, tzn.:

\begin{array}{l} x_1(t) \rightarrow  x_1(t)+\delta a\\  \\  x_2(t) \rightarrow  x_2(t) + \delta a.\end{array}

nie zmienia energii potencjalnej. Energia kinetyczna też się nie zmienia, ponieważ pochodna funkcji stałej jest równa zeru. Zatem jednoczesne przesunięcie obu punktów materialnych nie wpływa na ich ruch względny, co z fizycznego punktu widzenia brzmi rozsądnie. W myśl tw. Noether zachowana powinna być tu wielkość

A=\delta a m_1\dot{x}_1+\delta a m_2\dot{x}_2=\delta a(m_1\dot{x}_1+m_2\dot{x}_2).

Jest to oczywiście pęd całkowity.

Zobaczmy, jak opisać symetrię w przykładzie drugim. Operacją nie zmieniającą lagranżianu będzie oczywiście obrót w płaszczyźnie xy (najprostsze obroty zmieniają dwie współrzędne, dlatego mamy jeden taki obrót na płaszczyźnie, trzy w przestrzeni trójwymiarowej: xy, xz, yz i sześć w przestrzeni czterowymiarowej). Niewielki obrót o kąt \delta\varphi   w płaszczyźnie dany jest równaniami:

\begin{array}{l}x\rightarrow x-y\delta\varphi\\ \\ y\rightarrow y+x\delta\varphi.\end{array}

Szczegóły można znaleźć poniżej. Wielkością zachowaną jest teraz oczywiście moment pędu:

A=\delta\varphi (xp_y-yp_x)=\delta\varphi J.

Widać, skąd tak naprawdę pochodzi ta dziwaczna kombinacja pędów i współrzędnych: bierze się ona z rozpatrzenia obrotów w płaszczyźnie. W przestrzeni trójwymiarowej mielibyśmy trzy składowe momentu pędu, w przestrzeni czterowymiarowej sześć. Moment pędu można uważać za wektor tylko w przypadku trójwymiarowym, tak się składa, że jest to przypadek ważny dla nas, ale z matematycznego punktu widzenia liczba składowych momentu pędu zazwyczaj nie jest równa wymiarowi przestrzeni.

Jeszcze jedna uwaga: nasze transformacje symetrii są niewielkie. Co to dokładnie znaczy, widać intuicyjnie w przypadku translacji czy obrotów. Rzecz w tym, że np. do symetrii zwierciadlanej tw. Noether się nie stosuje.

Tak to wygląda w najprostszej wersji, możliwe są rozmaite uogólnienia. Jednym z najważniejszych są operacje symetrii zawierające czas. Nasze lagranżiany nie zależą jawnie od czasu. W takim przypadku translacja w czasie jest operacją symetrii. Wielkością zachowywaną w tym przypadku jest A=\dot{q_i}p_i-{\cal L}=E_k+V, czyli całkowita energia układu. Poza symetriami fundamentalnymi możliwe są oczywiście rozmaite symetrie obowiązujące dla konkretnego zagadnienia, każda z nich prowadzi do zachowywanej podczas ruchu wielkości.

(*) Łatwo uzyskać można wyrażenie dla wariacji działania.

\displaystyle{\delta S=\int_{0}^{\tau}\left(\delta q \dfrac{\partial {\cal L}}{\partial q}+\delta\dot{q}\dfrac{\partial {\cal L}}{\partial\dot{q}}\right) dt}

Nie zakładamy tu żadnego szczególnego zachowania \delta q(t) na końcach przedziału czasu. Sytuację przedstawia rysunek.

Całkując drugi wyraz przez części, otrzymujemy następującą postać wariacji;

\displaystyle{\delta S=\int_{0}^{\tau}\delta q \left(\dfrac{\partial {\cal L}}{\partial q}-\dfrac{d}{dt}\dfrac{\partial {\cal L}}{\partial\dot{q}}\right) dt+\left. \delta q\dfrac{\partial {\cal L}}{\partial\dot{q}}\right|^{\tau}_{0}}.

Wynikają stąd zarówno równania Lagrange’a, jak i tw. Noether.

W przypadku zasady najmniejszego działania żądamy, aby \delta S=0. Ponieważ na początku i końcu wariacja \delta q(0)=\delta q(\tau)=0, więc znika też ostatni, scałkowany, wyraz w powyższym wyrażeniu. A to z kolei oznacza, że wyrażenie w nawiasie znika (gdyż \delta q(t) poza tym, że jest niewielkie, może być dowolne i gdyby nawias w jakimś przedziale był różny od zera, to moglibyśmy tak dobrać \delta q(t), żeby całka była różna od zera).

W przypadku tw. Noether wiemy, że działanie się nie zmienia, ponieważ nie zmienia się lagranżian i przedział całkowania, czyli przy tych założeniach \delta S=0. Zakładamy też, że ruch odbywa się zgodnie z równaniami Lagrange’a, co oznacza, że nawias pod całką jest równy zeru, całka też musi być równa zeru. Zostaje nam warunek A(\tau)-A(0)=0. Zatem A(t) od czasu nie zależy.

Wyrażenia dla współrzędnych przy niewielkim obrocie otrzymujemy, przyjmując \cos\delta\varphi=1 oraz \sin\delta\varphi=\delta\varphi. Pokazuje to, co znaczą małe obroty: zostawiamy wyrazy liniowe w \delta\varphi, pomijamy natomiast wyrazy wyższych rzędów.

Emmy Noether i jej twierdzenie, część I (1918)

W fizyce XX wieku ogromną rolę odegrały zasady zachowania oraz symetrie. Zasady zachowania energii, pędu, momentu pędu itd. uważa się dziś za podstawowe prawa przyrody. Zarówno na gruncie fizyki klasycznej, jak i kwantowej, zasady zachowania związane są z symetriami układów fizycznych. Np. niezmienność w czasie praw fizycznych wiąże się z zasadą zachowania energii, symetria translacyjna wiąże się z zasadą zachowania pędu itp. Związek między symetriami a zasadami zachowania określa jedno z twierdzeń udowodnionych przez Emmy Noether. Najpierw powiemy trochę o postaci Emmy Noether, której ranga naukowa daleko wykracza poza twierdzenia znane każdemu fizykowi. W drugiej części przedstawimy szczególny przypadek twierdzenia Noether, obowiązujący w mechanice punktów materialnych. Pamiętać jednak trzeba, że twierdzenie Noether stało się ważną częścią współczesnej fizyki w ogóle, a nie wyłącznie mechaniki.

W roku 1935, gdy Emmy Noether niespodziewanie zmarła w Stanach Zjednoczonych wskutek powikłań pooperacyjnych, wspomnienie pośmiertne o jej osiągnięciach znalazło się w liście Alberta Einsteina do „New York Timesa”. Najwybitniejszy z naukowych uchodźców niemieckich uhonorował w ten sposób pierwszą tej rangi matematyczkę w historii. Mimo że w latach 1915-1933 pracowała ona w Getyndze, najlepszym wówczas ośrodku matematycznym świata, była znana wśród kolegów, miała uczniów, doktorantów itd., nie udało się jej nigdy uzyskać pełnej profesury, i to pomimo wsparcia Feliksa Kleina oraz Davida Hilberta. Opór przed powołaniem kobiety na katedrę był zbyt silny. W tym czasie w Niemczech profesurę z fizyki eksperymentalnej przyznano tylko jednej kobiecie: Lise Meitner w Berlinie, który uchodził za bardziej postępowy. Pierwszą katedrę matematyki objęła w Niemczech w 1957 r., a więc w zupełnie innych czasach, Ruth Moufang. Noether pracowała przez większą część życia za darmo albo otrzymując niewielkie pieniądze za prowadzenie zajęć na uczelni. Żyła skromnie, nie była zamożna, ale i nie biedna, jej ojciec Max był profesorem matematyki w Erlangen. Emmy miała także braci utalentowanych w kierunkach ścisłych, choć ostatecznie okazało się, że to ona była najwybitniejszym uczonym w rodzinie. Emmy nie uczyła się nigdy w szkole średniej, maturę zdała eksternistycznie. Także na uniwersytecie, w Erlangen i w Getyndze, miała jedynie prawo słuchania wykładów, bez możliwości formalnego ukończenia studiów. Co ciekawe, jej talent matematyczny rozwinął się dość późno. Swój przyzwoity i bardzo pracochłonny doktorat uważała później za nieistotny (obliczyła w nim postać 331 kowariantnych form czwartego stopnia trzech zmiennych). Było to rozszerzenie pracy opiekuna jej doktoratu Paula Gordana. Ówczesna algebra sprawiała na postronnych widzach wrażenie dziedziny zupełnie oderwanej od zastosowań, choć prawie nigdy nie da się tego uczciwie stwierdzić o żadnym dziale matematyki. Prace Gordana i jeszcze starszego Alfreda Clebscha zawierają np. znane w fizyce kwantowej współczynniki Clebscha-Gordana. Współczynniki te są więc kilkadziesiąt lat starsze niż sama mechanika kwantowa.

Fotografia ok. 1915 r. (http://physikerinnen.de)

Już po trzydziestce trafiła do Getyngi z inicjatywy Kleina i Hilberta. Zajęła się tam kwestią symetrii oraz zasad zachowania. Udowodniła dwa słynne dziś twierdzenia na ten temat. Wówczas nie były one tak znane, choć ich udowodnienie miało spore znaczenie dla ogólnej teorii względności. Hilbert zajmował się tą teorią równolegle do Einsteina, wyraźnie z się z nim ścigając. Był to skutek wykładów Einsteina w Getyndze w połowie roku 1915. David Hilbert zapalił się do tego podejścia, jednak jego cel był inny niż Einsteina: pragnął bowiem zaproponować teorię wszystkiego, obejmującą także materię. Ten ambitny zamysł był zdecydowanie przedwczesny, lecz jesienią roku 1915 Hilbert deptał Einsteinowi po piętach. Stanowiło to przykład szeroko wtedy znanego zwyczaju matematyków z Getyngi, że bez większych skrupułów wchodzili w tematykę prac innych kolegów. Nazywano to złośliwie „nostryfikacją”. Einstein o mały włos nie padł ofiarą takiej nostryfikacji. Wielu historyków sądziło zresztą, że to Hilbert pierwszy napisał równania pola ogólnej teorii względności. Tak jednak nie było i sam Hilbert nigdy nie zgłaszał w tej kwestii żadnych roszczeń. Dziś wiemy zresztą, że nie miałby do tego podstaw. Równania pola ogólnej teorii względności sformułował Einstein w listopadzie 1915 roku. Stosunki obu uczonych, przez chwilę dość napięte, wróciły potem do poprzedniego przyjaznego tonu. Hilbert, a później i Klein, interesowali się dość żywo teorią Einsteina, szczególnie kwestią zasady zachowania energii-pędu. Z pracy Noether wynikało, że tensor Einsteina G oraz tensor energii-pędu T muszą spełniać związek {G^{\mu\nu}}_{;\nu}=0={T^{\mu\nu}}_{;\nu}. Dopiero później zauważono, iż włoski geometra Luigi Bianchi już w 1902 ogłosił tożsamości nazwane dziś jego imieniem (nb. tożsamości te znał już Gregorio Ricci dwie dekady wcześniej), z których fakt powyższy wynika. Pokazuje to spory zamęt, jaki istniał nie tylko w samej nowej fizyce, ale także i w stosowanej do niej nienowej matematyce, która jednak nie była znana nawet największym ówczesnym matematykom (wyjątkiem był tu Tullio Levi-Civita).

Największe osiągnięcia Emmy Noether przypadają na lata dwudzieste. Stała się ona ważną postacią w rozwoju nowoczesnej algebry abstrakcyjnej, w której bada się struktury określone za pomocą aksjomatów, niezależnie od konkretnej reprezentacji. Prace te prowadzone były w duchu Hilberta, który od dawna zabiegał o ścisłą aksjomatyzację zarówno matematyki, jak i fizyki. W fizyce podejście tego rodzaju niezbyt się przyjęło, w matematyce szukanie ogólniejszych struktur jest często skuteczną metodą atakowania szczegółowych problemów, tak np. udowodniono wielkie twierdzenie Fermata. Emmy Noether prowadziła w Getyndze słynne z czasem wykłady. Początkowo miały one formę stałego zastępstwa za Davida Hilberta. Chodziło o ominięcie formalnej trudności: Noether nie miała prawa nauczania. Wykłady te przyciągały niezbyt liczne, lecz ważne grono młodych badaczy. W formie przypominały raczej głośne myślenie na temat matematyki niż uporządkowane rozdziały podręcznika. Jednak drugi tom znanej wówczas monografii Moderne Algebra Bartela van der Waerdena w znacznym stopniu był opracowaniem idei z wykładów Noether w Getyndze. W wieku pięćdziesięciu lat osiągnęła niemal wszystko, czego może sobie życzyć uczony: miała liczne publikacje, wielu uczniów, którzy rozwijali jej idee (chętnie się nimi dzieliła i nie zgłaszała roszczeń do pierwszeństwa, nawet gdy się jej ono należało), dwa razy zaproszona była do wygłoszenia referatów na Międzynarodowym Kongresie Matematyków, współredagowała „Mathematische Annalen”. Nie była tylko wciąż profesorem, choć jej młodszy i nie tak wybitny brat, Fritz, uzyskał katedrę na Politechnice Wrocławskiej (wówczas Technische Hochschule) już w 1922 roku.

Na dworcu w Getyndze jesienią 1933 r. (http://physikerinnen.de)

Aż nadeszła katastrofa roku 1933. Oczywiście, większość Niemców uznawała ją w tamtej chwili za zwycięstwo albo przynajmniej za krok w dobrym kierunku. Społeczeństwo, karmione od dziesiątków lat rasistowskimi bredniami o wyższości Niemców nad Żydami, nie protestowało, gdy władze polityczne wyciągnęły wnioski z tych nauk i na początek wyrzuciły wszystkich Żydów ze stanowisk państwowych, w tym z uniwersytetów. Emmy Noether nie interesowała się polityką. Nie reagowała nawet, gdy któryś z jej studentów przyszedł na wykład w brunatnej koszuli. Teraz jednak straciła swą i tak mało znaczącą posadę i nie mogła uczyć. Jak wielu rozsądnych ludzi, miała nadzieję, że to szaleństwo skończy się jak zły sen. Znalazła pracę w Stanach Zjednoczonych, w roku 1934 odwiedziła Niemcy jako uczona z zagranicy. Żona jej współpracownika, profesora z Hamburga, Emila Artina wspominała:

Rzeczą, która najbardziej zapadła mi w pamięci, była jazda metrem w Hamburgu. Zabraliśmy Emmy spod Instytutu i natychmiast oboje z Artinem zaczęli rozmawiać o matematyce. Chodziło wtedy o teorię ideałów (Idealtheorie) i mówili o pojęciach takich, jak Ideal, Führer, Gruppe i Untergruppe, po chwili cały wagon zaczął nadstawiać uszu. Byłam śmiertelnie przerażona, myślałam, Boże, za chwilę ktoś nas aresztuje. Był to już rok 1934, a Emmy, nie zwracając na nic uwagi, mówiła bardzo głośno i w podnieceniu coraz głośniej i głośniej, i co chwila pojawiały się słowa Führer oraz Ideal. Była pełna temperamentu i zawsze mówiła bardzo szybko i bardzo głośno.

Terminologia matematyczna nałożyła się tu na partyjną nowomowę, której Emmy zapewne nie znała albo nie zwracała na nią uwagi jako na bełkot. Żona Artina była Żydówką i miała wszelkie powody, by się bać. Rok rządów nazistów pogłębił różnice miedzy wolnym światem a narodowo-socjalistycznym obłędem, przy czym rewolucja dopiero się rozkręcała. Trzy lata później także Artin musiał wyjechać, bo już nawet żona Żydówka nie mogła być tolerowana w czystym rasowo państwie. Emmy zlikwidowała tamtego lata swoje mieszkanie w Getyndze i zrozumiała, że nie wróci szybko do Niemiec. Najbardziej gorzkim aspektem rasistowskiego obłędu było to, że ludzie tacy jak Noether czuli się zawsze Niemcami, nie byli w żaden sposób ludnością napływową, od wieków mieszkali w Niemczech, od XIX wieku tworzyli w coraz większym stopniu ich naukę i kulturę. Żeby nie kończyć myślami o zniszczeniu i nienawiści, przytoczmy słowa Einsteina ze wspomnianego listu do NYT:

Istnieje, na szczęście, mniejszość złożona z tych, którzy wcześnie zdali sobie sprawę, że najpiękniejsze i przynoszące najwięcej satysfakcji przeżycia dostępne człowiekowi nie pochodzą ze świata zewnętrznego, lecz z rozwoju indywidualnych uczuć, myśli i działań. Prawdziwi artyści, badacze i myśliciele zawsze byli osobami tego rodzaju. I choćby życie takich jednostek upłynęło całkiem niepozornie, to jednak owoce ich wysiłków są najcenniejszym dziedzictwem każdego pokolenia dla swych następców.

Kilka dni temu, w wieku pięćdziesięciu trzech lat, zmarła wybitna matematyczka, profesor Emmy Noether, związana z uniwersytetem w Getyndze, a przez ostatnie dwa lata z Bryn Mawr College. W opinii najbardziej kompetentnych współczesnych matematyków, Fräulein Noether była największym twórczym talentem matematycznym, jaki pojawił się od chwili, gdy zaczęło się wyższe wykształcenie kobiet. W dziedzinie algebry, którą od stuleci zajmują się najbardziej utalentowani matematycy, odkryła ona metody, które okazały się niezmiernie ważne dla osiągnięć obecnego młodszego pokolenia matematyków. Matematyka czysta jest na swój sposób poezją idei logicznych. Szuka się w niej najogólniejszych idei zdolnych do połączenia w prostej, logicznej i jednolitej formie jak najszerszego kręgu związków formalnych. W tym dążeniu do logicznego piękna odkrywa się uduchowione formuły konieczne, by głębiej przeniknąć prawa natury.

Einstein nie pisał takich tekstów bez zastanowienia. Zawsze przemawiał do niego ideał życia odosobnionego, niemal klasztornego, i poświęconego spokojnemu namysłowi nad światem. Niezbyt lubił błyszczeć, a przynajmniej szybko go to nudziło. Wielki rozgłos, jaki go otaczał, przyjmował raczej z rozbawieniem, jako coś w istocie niepoważnego i nieco wstydliwego. Przyjaźnił się zresztą nie tylko z wybitnymi uczonymi, ale także z różnego rodzaju dziwakami i oryginałami, cenił osobowość, nie lubił ludzi nijakich. O skali osiągnięć Emmy Noether wiedział zapewne od Hermanna Weyla, który mógł to kompetentnie ocenić. Jego podziw dla matematyki narastał z czasem; w latach trzydziestych w jego pracy nie odgrywało już żadnej roli eksperyment, musiał więc kierować się względami formalnymi, czysto matematycznymi. I rzeczywiście, każdy niemal rodzaj matematyki, prędzej czy później znajduje zastosowanie w naukach o przyrodzie czy świecie społecznym.

 

Fale wzdłuż struny raz jeszcze

Rozpatrywaliśmy już wcześniej działanie dla przypadku jednowymiarowej struny. Jeśli wychylenie w danym punkcie x oraz w jakiejś chwili t oznaczymy przez y=y(x,t), to działanie będzie miało postać

{\displaystyle S=\int_{0}^{\tau} {\cal L}dx dt, \mbox{ gdzie }  {\cal L}=\dfrac{k}{2}\left[\dfrac{1}{c^2}\left(\dfrac{\partial y}{\partial t}\right)^2-\left(\dfrac{\partial y}{\partial x}\right)^2\right] },

gdzie wyłączyliśmy pewną wspólną stałą k, która jest bez znaczenia, oraz wprowadziliśmy drugą stałą, która okaże się prędkością naszych fal c. W dalszym ciągu dla uproszczenia będziemy przyjmować, że prędkość ta równa jest jeden (można to zawsze osiągnąć, dobierając odpowiednio jednostki odległości lub czasu). Będziemy też rozpatrywać strunę nieskończonej długości, żeby nie komplikować sobie sytuacji warunkami na jej końcach. Zasada wariacyjna \delta S=0 przy zmianie (wariacji) naszego wychylenia o \delta y prowadzi do równania falowego. Zamiast jednak powtarzać poprzednią procedurę wprowadźmy do działania nowe zmienne x_{+} oraz x_{-} zdefiniowane następująco:

x_{\pm}=x\pm t.

Zamieniając zmienne w działaniu, otrzymamy:

{\displaystyle S=\int_{0}^{\tau} {\cal L}dx_{-}dx_{+}, \mbox{ gdzie }  {\cal L}=-k\dfrac{\partial y}{\partial x_{-}} \dfrac{\partial y}{\partial x_{+}}}.

Obliczając wariację tego działania (po drodze trzeba, jak zawsze wykonać całkowanie przez części), dostaniemy teraz równanie

{\displaystyle \dfrac{\partial^2 y}{ \partial x_{-}\partial x_{+} }=\dfrac{\partial}{\partial x_{-}}\left(\dfrac{\partial y}{\partial x_{+}}\right)=0}.

Jest to równanie falowe w nowych zmiennych. Jest ono znacznie łatwiejsze do rozwiązania: wyrażenie w nawiasie nie zależy od zmiennej x_{-}, musi być więc funkcją jedynie x_{+}.

{\displaystyle \dfrac{\partial y}{\partial x_{+}}=h(x_{+})}.

Całkując obustronnie po x_{+}, dostajemy nową funkcję g zmiennej x_{+} plus dowolną funkcję f zmiennej x_{-} (zamiast stałej całkowania):

{\displaystyle y=g(x_{+})+f(x_{-})=g(x+ct)+f(x-ct)}.

Funkcje te przedstawiają fale biegnące odpowiednio w lewo albo w prawo. Widzimy, że jest to najogólniejsze rozwiązanie równania struny. Fala biegnąca w prawo może wyglądać np. tak (na czerwono zaznaczona jest tylko różna od zera część wykresu funkcji f):

Łatwo też utworzyć rozwiązanie odpowiadające pewnym warunkom początkowym. Dla równania drugiego rzędu musimy zadać początkowy kształt całej struny oraz początkową prędkość każdego jej elementu, potrzebne są więc dwie funkcje. Załóżmy dla uproszczenia, że nasza struna jest w chwili t=0 nieruchoma, a jej kształt zadany jest funkcją y(x,0)=f(x). Łatwo sprawdzić, że rozwiązaniem spełniającym ten warunek początkowy jest

y(x,t)=\frac{1}{2}f(x-ct)+\frac{1}{2}f(x+ct).

Już w wieku XVIII Jean d’Alembert znał rozwiązanie dla dowolnych warunków początkowych (tzn. także zadanego rozkładu prędkości początkowych). Na rysunku poniżej funkcja f opisująca początkowe odkształcenie ma kształt trójkąta. Odkształcenie struny w dowolnej późniejszej chwili będzie miało postać dwóch mniejszych trójkątów o tej samej szerokości, przy czym jeden będzie przesuwał się w lewo, a drugi w prawo.

Funkcje na rysunkach nie są gładkie, a więc ściśle biorąc, nie są różniczkowalne w niektórych punktach. Można temu zaradzić albo rozszerzając pojęcie rozwiązania równania, albo przybliżając rozwiązania funkcjami gładkimi, możemy sobie wyobrażać, że wykresy w powiększeniu okazałyby się gładkie.

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.

 

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.