Erwin Schrödinger: trzeci początek mechaniki kwantowej (1926)

Równanie Schrödingera zasługuje na swoją sławę: dzięki niemu znamy nie tylko budowę atomów, ale i cząsteczek chemicznych czy ciał skondensowanych. Wynikają z niego najprzeróżniejsze własności materii, która nas otacza, a także materii we wszechświecie. Jest więc równaniem niezwykle istotnym tak dla fundamentów fizyki, jak i dla zastosowań.

Autor najsłynniejszego równania dwudziestowiecznej fizyki aż do roku 1926 nie należał do ścisłej czołówki fizyków teoretycznych. Zaledwie osiem lat młodszy od Einsteina, dopiero od 1921 roku zajmował katedrę na uniwersytecie w Zurychu. Studiował w Wiedniu, zbyt późno by zetknąć się osobiście z Ludwigiem Boltzmannem czy Ernstem Machem, choć wpływ obu tych uczonych wciąż dawał się tam odczuć. Fizyki teoretycznej uczył się u Friedricha Hasenöhrla, bliskiego przyjaciela Mariana Smoluchowskiego. Do tej pory niewiele zajmował się teorią kwantową, ponieważ opierała się ona wciąż na bardzo grząskich podstawach, korzystając po trosze z fizyki klasycznej, a po trosze z postulatów kwantowania, wyraźnie z nią sprzecznych. Zwrócił jednak uwagę na pracę Louisa de Broglie na temat fal materii. Postulowała ona, że zarówno fotony, jak i inne cząstki mikroświata mają dualną naturę: zachowują się czasem jak cząstki, a czasem jak fale. Obowiązywał przy tym jeden uniwersalny przelicznik własności cząstkowych: energii E i pędu p na wielkości falowe: częstość (kołową) \omega i liczbę falową k\equiv\frac{2\pi}{\lambda} (\lambda jest długością fali). Współczynnikiem proporcjonalności w obu przypadakch miała być stała Plancka \hbar:

E=\hbar\omega,\,p=\hbar k.

Felix Bloch, wówczas początkujący fizyk, tak wspomina wspólne kolokwia (dziś powiedzielibyśmy raczej seminaria) fizyków z uniwersytetu w Zurychu i z ETH, gdzie najważniejszą postacią był Peter Debye.

Pewnego razu pod koniec kolokwium Debye powiedział coś w tym rodzaju: „Schrödinger nie zajmujesz się teraz żadnym ważnym tematem. Może opowiedziałbyś nam któregoś dnia o tym doktoracie de Broglie’a, który, zdaje się, przyciągnął sporo uwagi”. Więc na jednym z następnych kolokwiów Schrödinger przedstawił cudownie przejrzysty wykład o tym, jak de Broglie wiąże fale z cząstkami i w jaki sposób zdołał on uzyskać reguły kwantyzacji Bohra i Sommerfelda (…) Kiedy skończył, Debye stwierdził od niechcenia, że taki sposób ujęcia jest raczej dziecinny. Jako student Sommerfelda nauczył się, że właściwy sposób podejścia do fal wiedzie przez równanie falowe. Brzmiało to dość trywialnie i na pozór nie zrobiło głębszego wrażenia, ale Schrödinger najwyraźniej wrócił później do tego pomysłu. Zaledwie kilka tygodni później dał następne kolokwium, zaczynając od słów: „Kolega Debye zasugerował, że należy mieć równanie falowe, toteż je znalazłem”. [„Physics Today”, t. 29 (1976), nr 12, s. 23-24]

Najwyraźniej w pierwszej chwili obaj nie zdawali sobie sprawy z wagi tych badań. Erwin Schrödinger dzięki pracom z końca roku 1925 i roku 1926 stał się błyskawicznie jednym z najgłośniejszych fizyków świata. Seria jego artykułów natychmiast zyskała uznanie. Chwalili je Albert Einstein i Arnold Sommerfeld, który wraz ze swymi uczniami rozwijał od lat fizykę kwantową. Napisał do niego sędziwy Hendrik Lorentz, który uważnie śledził nowości i miał parę istotnych uwag. Surowy i poważny Max Planck, profesor najbardziej prestiżowej katedry w Niemczech (co wtedy znaczyło: najbardziej prestiżowej na świecie) – na uniwersytecie w Berlinie, pisał entuzjastycznie do Schrödingera:

Czytam pański artykuł tak, jak ciekawe dziecko, słuchające w napięciu rozwiązania zagadki, nad którą się długo głowiło, i cieszę się bardzo wszystkimi pięknościami, jakie tam dostrzegam, choć muszę go jeszcze dokładniej przestudiować, by wszystko z niego pojąć.

Kiedy w grudniu 1925 roku Schrödinger znalazł swe równanie, był to trzeci początek mechaniki kwantowej albo – jak wolał o tym mówić autor odkrycia – mechaniki falowej. Na pierwszy rzut oka nie miało to nic wspólnego z teorią Heisenberga, Borna, Jordana i Diraca. U Schrödingera nie było żadnych skoków kwantowych, żadnych wielkości macierzowych, nieprzemiennych iloczynów. Język był całkowicie klasyczny – była to matematyka drgań, dobrze już wówczas opracowana. W roku 1924 wyszła dwutomowa monografia Methoden der mathematischen Physik („Metody fizyki matematycznej”) zredagowana przez Richarda Couranta i innych matematyków z Getyngi na podstawie wykładów Davida Hilberta. Zawierała ona wiele materiału, który miał się okazać potrzebny fizykom za kilka lat. Jak na ironię metody Hilberta zastosowali pierwsi nie fizycy z grupy Maksa Borna, pracujący przecież głównie pod bokiem Hilberta w Getyndze, ale Erwin Schrödinger, outsider i naukowy samotnik. Fizycy z Getyngi zlekceważyli nawet wyraźną sugestię Hilberta w jednej z rozmów, że powinni poszukać równania różniczkowego, które opisuje skwantowane wartości energii. Nie próbowali iść tym tropem, przekonani, że ich mechanika kwantowa jest czymś całkowicie nowym i nie może się zawierać w książce sprzed paru lat. Źle przyjęli też pracę Schrödingera, która wydawała się recydywą fizyki klasycznej, odwrotem od kwantowej rewolucji spod sztandaru Heisenberga.

Fizycy klasyczni znali wiele przypadków drgań układów rozciągłych, czyli fal stojących. Są one np. podstawą wytwarzania dźwięku w instrumentach muzycznych takich, jak organy, flet, trąbka czy skrzypce. Wiadomo, że zamocowana na końcach struna drgać może tylko z określonymi ściśle częstościami: podstawową oraz jej wielokrotnościami. Rozważano różne bardziej skomplikowane możliwości, pisaliśmy tu o rówieśniku Einsteina, fizyku z Getyngi, Waltherze Ritzu. Idea Schrödingera polegała na tym, by wartości energii w atomie potraktować analogicznie do częstości dźwięku w pudle rezonansowym, stosując równanie falowe. Ma ono w przypadku trójwymiarowym postać:

\dfrac{\partial^2\psi}{\partial x^2}+\dfrac{\partial^2\psi}{\partial y^2}+\dfrac{\partial^2\psi}{\partial z^2}-\dfrac{1}{v^2}\dfrac{\partial^2 \psi}{\partial t^2}\equiv \Delta\psi-\dfrac{1}{v^2}\dfrac{\partial^2 \psi}{\partial t^2}=0,

gdzie v jest prędkością fal. Jeśli przyjmiemy, że nasze fale są okresowe i mają częstość \omega, możemy rozwiązania zapisać jako

\psi(x,y,z, t)=\psi(x,y,z)e^{\pm i\omega t}.

Drugą pochodna po czasie jest ta sama funkcja wykładnicza pomnożona przez stałą. Wstawiając to do równania falowego, otrzymujemy tzw. równanie Helmholtza (który pod koniec XIX wieku był profesorem w Berlinie):

\Delta \psi+k^2 \psi=0.

W równaniu tym skorzystaliśmy z tego, że \dfrac{\omega}{v}=k. Droga Schrödingera do odkrycia była dość zawikłana. Związki de Broglie’a są relatywistyczne, naturalne wydawało się więc zapisanie równania relatywistycznego. Jednak kiedy spróbujemy je rozwiązać w najprostszym przypadku atomu wodoru, okazuje się, że dopuszczalne energie nie zgadzają się z tym, co wcześniej, w starej teorii kwantów obliczył Sommerfeld i co zgadzało się z doświadczeniem (szczegóły można znaleźć u L. Schiffa, Mechanika kwantowa, s. 409 i n.). Dwa lata później sytuacja się wyjaśniła: potrzebne tu jest równanie Diraca. Dwa lata w tamtej chwili rozwoju fizyki to było więcej niż epoka, Schrödinger znajdował się dopiero u początków tej drogi i nie mógł wiedzieć, co stanie się dalej. Rozsądnie zdecydował się więc na przybliżenie nierelatywistyczne, robiąc niejako krok wstecz w porównaniu do de Broglie’a. Nie pójdziemy tu jego drogą, a właściwie kilkoma różnymi drogami, jakimi próbował uzasadnić swe równanie. Wybierzemy podejście najprostsze zaproponowane pół roku później przez Maksa Borna – musimy jednak pamiętać, że nie jest to wyprowadzenie. Nie można bowiem wyprowadzić praw mechaniki kwantowej z praw klasycznych. Dla cząstki o masie m i całkowitej energii E możemy napisać równanie zachowania energii:

E=\dfrac{\hbar^2 k^2}{2m}+V(x,y,z),

gdzie V jest energią potencjalną (pierwszy składnik to zwykła energia kinetyczna). Jeśli wyznaczymy k^2 z ostatniego równania i wstawimy do równania Helmholtza, otrzymamy tzw. równanie Schrödingera bez czasu:

-\dfrac{\hbar^2}{2m}\Delta\psi+V\psi=E\psi.

Chcąc np. opisać ruch elektronu wokół nieruchomego jądra atomowego o ładunku Ze, należy wstawić do równania Schrödingera energię potencjalną postaci

V(r)=-\dfrac{Ze^2}{4\pi \epsilon_0 r},

czyli zwykłą energię potencjalną przyciągania elektrostatycznego dwóch ładunków Ze oraz -e w odległości r. Szukamy takich funkcji \psi(x,y,z), które daleko od jądra zanikają. Okazuje się, że rozwiązania takie są możliwe tylko dla dyskretnych wartości energii równych

E_n=-\dfrac{me^4}{2(4\pi\epsilon_0)^2 \hbar^2}\dfrac{1}{n^2}, \mbox{ gdzie } n=1,2, 3, \ldots.

 Jest to wynik uzyskany w roku 1913 przez Bohra z założeń, które od początku wydawały się aktem rozpaczy, a nie solidną nauką. Równanie Schrödingera miało więc sens, choć nadal brakowało pewnych elementów do kompletnej teorii. Jednym z najważniejszych było znaczenie samej funkcji \psi. Kiedy w piszczałce organowej czy w rurce fletu wytwarzany jest dźwięk, wiemy, co drga – jest to powietrze, które ściśnięte się rozpręża, a rozprężone wraca do początkowej gęstości. Co drga w atomie wodoru? Jakie jest znaczenie funkcji \psi? Co gorsza, okazało się, że powinna ona mieć wartości zespolone, z pewnością nie było to żadne proste drganie klasyczne. Geniusz Schrödingera ujawnił się i w tym, że nie próbował odpowiedzieć na wszystkie pytania naraz i pozwolił swoim ideom rozwijać się w czasie. Publikacje uczonego z pierwszego półrocza 1926 roku wystarczyły na Nagrodę Nobla i objęcie w roku 1927 katedry w Berlinie po odchodzącym na emeryturę Maksie Plancku.

Erwin Schrödinger, człowiek wszechstronnie wykształcony, o szerokich zainteresowaniach, całkowicie zaprzecza ascetycznej wizji uczonego, który nie ma czasu na nic oprócz nauki. Wydaje się wręcz, że jego pomysłowość przy stworzeniu słynnego równania szła w parze z gorączką miłosną. Praca ta powstała w uzdrowisku Arosa, gdzie wybrał się w towarzystwie do dziś nie znanej flamy. Jego małżeństwo należało do nowoczesnych i partnerzy pozostawiali sobie bardzo wielką swobodę. Były przecież lata dwudzieste: kobiety odsłoniły nogi, tańczono charlestona, wszyscy chcieli zapomnieć o koszmarze niedawnej wielkiej wojny.

 

 

 

 

 

Reklamy

Werner Heisenberg: pierwsza praca z mechaniki kwantowej (1925)

Dwudziestotrzyletni Heisenberg już od kilku lat był aktywnym uczonym zajmującym się fizyką teoretyczną atomu. Dwa lata wcześniej, po trzech latach studiów, zrobił doktorat w Monachium u Arnolda Sommerfelda, który pierwszy zwrócił uwagę na jego talent. Sommerfeld, aktywny uczestnik w rozwoju nowej dziedziny, miał dar przyciągania zdolnych studentów: czterech jego doktorantów otrzymało Nagrody Nobla, a wielu studentów i stażystów przewijających się przez jego instytut zyskało międzynarodową sławę. W latach dwudziestych Monachium traciło pomału pozycję na rzecz Getyngi, gdzie teoretykom przewodził Max Born. Mechanika kwantowa powstała w Getyndze, a także w Kopenhadze, dokąd Niels Bohr stale zapraszał młodych naukowców z całego świata. Heisenberg zdążył już spędzić długi staż u Bohra, wiosną roku 1925 pracowali tam intensywnie wraz ze starszym o półtora roku Wolfgangiem Paulim, który już wtedy stał się dla Heisenberga punktem odniesienia. Pauli zaczął pracę naukową zaraz po maturze publikacją na temat ogólnej teorii względności. Doktorat u Sommerfelda zrobił także po trzech latach studiów – w najkrótszym prawnie dopuszczalnym terminie. Napisał też w tym czasie długi, ponaddwustustronicowy artykuł przeglądowy na temat teorii względności, w którym omówiona została krytycznie cała literatura przedmiotu. Niezwykle utalentowany, Pauli znany był też z bezwzględnego atakowania prac, które uważał za bezwartościowe. W późniejszych latach słynne było jego powiedzenie o jakiejś słabej pracy: „to nawet nie jest błędne”.

Heisenberg w 1924 roku, podczas wykładu habilitacyjnego w Getyndze.

Chłopięco wyglądający Heisenberg zaangażowany był w ruch skautingowy, spędzał sporo czasu na wycieczkach z młodymi ludźmi. Panowała tam beztroska atmosfera braterstwa i wspólnego przeżywania przygód. Była to jednak organizacja stawiająca sobie cele paramilitarne. Werner Heisenberg wraz z kolegami odwiedzali np. regiony zamieszkane przez Niemców, a pozostające poza granicami Rzeszy, jak np. Górny Tyrol, Finlandia, gdzie było trochę niemieckich emigrantów, a także niektóre tereny Węgier i Polski. W przypadku Heisenberga chodziło chyba raczej o młodzieńczą przygodę, a także odskocznię od intensywnej pracy naukowej. Nie był zwolennikiem skrajnej prawicy, starał się być apolityczny, choć można o nim chyba powiedzieć, że był nacjonalistą. Podczas II wojny światowej nie widział nic niewłaściwego w wizytach w okupowanej Kopenhadze czy Krakowie. Zamiłowanie Heisenberga do spędzania czasu  wyłącznie w męskim towarzystwie wydało się potem podejrzane, gdy jego biografii zaczęło przyglądać się SS. Nie doszukali się jednak niczego nieobyczajnego, do tej pory zresztą uczony miał już żonę i powiększającą się gromadkę dzieci.

Niels Bohr stał się dla młodego Wernera nie tylko mentorem, ale także wzorem i duchowym ojcem. Z prawdziwym ojcem Augustem Heisenbergiem, profesorem bizantynistyki w Monachium, Werner miał stosunki dość napięte. Jak się zdaje, ojciec nie wierzył w jego talent, a może w ogóle w fizykę teoretyczną, która wciąż uchodziła za coś mniej solidnego niż prowadzenie eksperymentów. Werner jako nastolatek chciał zostać pianistą, fizykę wybrał dość późno. August źle reagował na złe wieści o synu, kiedy np. dowiedział się, że Werner ledwo zdał egzamin doktorski. Egzaminatorów było dwóch: teoretyk Sommerfeld oraz eksperymentator Willy Wien. Ten drugi szybko wykrył braki w wiedzy młodego człowieka, który nie potrafił obliczyć zdolności rozdzielczej mikroskopu ani powiedzieć, jak działa ogniwo elektryczne (cztery lata później mikroskop pojawi się w pracy Heisenberga na temat zasady nieoznaczoności). Wien dopiero po dyskusji z Sommerfeldem zgodził się przepuścić Heisenberga, ale jego ocena końcowa była słaba: cum laude (można było otrzymać doktorat summa cum laude, magno cum laude, cum laude i bez żadnego dodatkowego określenia). Wien w senacie uniwersytetu spotykał się z profesorem Heisenbergiem i nie omieszkał się poskarżyć. Werner potrzebował pomocy finansowej, ponieważ nie od razu uzyskał płatną posadę. Ojciec napisał do Borna, pytając o perspektywy naukowe syna. Prosił też Jamesa Francka, eksperymentatora z Getyngi, przyszłego noblistę, aby umożliwił Wernerowi pracę w swoim laboratorium. Franck się zgodził, ale niewiele z tego wyszło i Werner wrócił do pracy teoretyka. Bohr, skracający dystans, biorący udział we wspólnych wycieczkach z młodymi ludźmi, a także zapraszający ich do domu, stał się Heisenbergowi bardzo bliski zarówno pod względem naukowym, jak i prywatnym.

Co ciekawe, najważniejszą swą pracę naukową Heisenberg napisał z dala od Bohra i Pauliego, nie zwierzając się także Maksowi Bornowi. Jak się zdaje, Bohr przy całej swej życzliwości wywierał silną presję na otoczenie, co nie zawsze służyło młodszym, mniej asertywnym uczonym. W kwietniu 1925 roku Heisenberg dostał silnego ataku kataru siennego i wyjechał na wyspę Helgoland, gdzie nie było roślin i w związku z tym pyłku w powietrzu. Tam zdał sobie sprawę, że jedna z ostatnich prac Bohra jest błędna (chodziło w niej o podważenie zasady zachowania energii, tzw. praca BKS). Odbyło się to w scenerii godnej obrazów Caspara Friedricha, Werner spędził noc duchowych zmagań na skalistym wybrzeżu, czekając na wschód słońca. Udało mu się znaleźć nową metodę postępowania, zastosował ją do prostych przypadków. Nie był jednak pewny, czy jest na dobrym tropie. Po powrocie z Helgolandu wręczył gotową pracę Bornowi, pytając o opinię. Do ojca pisał w tym czasie: „Moja własna praca nie idzie w tej chwili najlepiej. Nie uzyskuję zbyt wielu rezultatów i nie wiem, czy w tym semestrze wyjdzie z tego następny artykuł”.

Max Born zadecydował, że pracę trzeba opublikować, mimo że nie rozumiał jej do końca. Pisał w lipcu 1925 roku do Alberta Einsteina: „Moi młodzi ludzie: [Werner] Heisenberg, [Pascual] Jordan, [Friedrich] Hund są znakomici. Muszę się czasem poważnie wysilić, aby nadążyć za ich rozważaniami. Wprost bajecznie opanowali tak zwaną zoologię termów. Najnowsza praca Heisenberga, która się niebawem ukaże, wygląda bardzo mistycznie, ale jest prawdziwa i głęboka”. Heisenberg po jej napisaniu wyjechał do Cambridge, a później do Kopenhagi. W tym czasie Born wraz z Jordanem starali się zrozumieć, co właściwie Heisenberg zaproponował. Okazało się, że jest to decydujący krok w oderwaniu się od tzw. starej teorii kwantów, czyli fizyki klasycznej z kwantowymi dodatkami, jak model atomu Bohra – gdzie orbity elektronów są obliczane klasycznie, tak jak orbity planet, a do tego dokłada się warunek kwantowania, mówiący, jakie orbity są dozwolone. Problemem tego modelu i jego późniejszych coraz bardziej wyrafinowanych matematycznie ulepszeń była wewnętrzna sprzeczność: w fizyce klasycznej niemożliwe są stabilne orbity elektronów. Cały obraz atomu jako kłębowiska orbit elektronowych jest fałszywy. Stawało się to coraz bardziej widoczne przed rokiem 1925.

Heisenberg postanowił z konieczności zrobić cnotę: Nie powinniśmy w ogóle wyobrażać sobie żadnych orbit, nikt nie zaobserwował elektronu na orbicie i nie ma sensu mówić tutaj o ruchu w sposób klasyczny. Należy ograniczyć się do wielkości, które są możliwe do zaobserwowania w doświadczeniach, porzucając spekulacje na temat ruchu elektronu w atomie. Trzeba zmienić fizykę na poziomie kinematyki: nie można opisywać ruchu elektronu tak, jak ruchu kamienia czy innego obiektu makroskopowego. Powoływał się przy tym na podejście Einsteina, który zwracał w teorii względności uwagę, że aby np. mówić o równoczesności, należy podać metodę eksperymentalnego rozstrzygnięcia, czy dane zdarzenia są równoczesne. Metodologia tego rodzaju niekoniecznie sprawdza się w budowaniu teorii fizycznych, ale Heisenbergowi w tamtym momencie pomogła.

Podstawową informacją na temat atomów były linie widmowe. Atom promieniuje fale elektromagnetyczne o pewnych określonych częstościach. Najprostszym układem, który wysyła taką falę, jest drgający elektron. Aby mieć układ drgający należy wyobrazić sobie, że na elektron działa siła zależna od wychylenia, tak jakby nasz elektron był na sprężynie. Jednowymiarowy układ tego rodzaju jest najprostszym oscylatorem (masa na sprężynie, innym przykładem jest wahadło). Do opisania fal emitowanych przez oscylatory atomowe w przypadku klasycznym możemy zastosować analizę Fouriera. Współrzędna naszego oscylatora (o częstości kołowej \omega) jest funkcją okresową, można ją więc przedstawić jako sumę sinusów i cosinusów:

{\displaystyle x(t)=\sum_{n=0}^{\infty}(A_n\cos n\omega t+B_n \sin\omega t)}.

Dwa ciągi liczb rzeczywistych A_n, B_n określają jednoznacznie funkcję. Możemy także zapisać tę sumę krócej w postaci zespolonej:

{\displaystyle x(t)=\sum_{n=-\infty}^{+\infty}x(n) e^{i\omega n t}, \mbox{ (*)}}

gdzie korzystamy ze wzoru Eulera: e^{iz}=\cos z+i\sin z. Z punktu widzenia fizyki ważna jest nie tylko częstość, ale także amplituda drgań. Wypromieniowywana przez oscylator moc jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy, czyli sumy |x(n)|^2.

Heisenberg uznał, że zamiast budować model atomu, w którym elektron jakoś się porusza, należy skupić się na wielkościach możliwych do zaobserwowania, czyli częstościach i kwadratach amplitudy.

Przeanalizował następnie, w jaki sposób buduje się kwadrat x(t). Zgodnie z naszym rozwinięciem w szereg Fouriera kwadrat funkcji będzie równy

x^2(t)=\sum_{n}\sum_{m}x(n)x(m)e^{i\omega(n+m)t}.

Wyrażenie to ma postać rozwinięcia Fouriera, jeśli wprowadzimy nową nazwę indeksu p=n+m, to nasz kwadrat można zapisać następująco:

x^2=\sum_{p} e^{i\omega pt}\left(\sum_{n}x(n)x(p-n)\right).

Wyrażenie w nawiasie mówi nam, jak otrzymać rozwinięcie fourierowskie kwadratu funkcji:

x^2(p)=\sum_{n}x(n)x(p-n).

Inaczej mówiąc, aby otrzymać wyraz o częstości \omega p, musimy wysumować wszystkie iloczyny x(n), w których suma częstości jest równa \omega p.

Następnie, i to był najważniejszy pomysł pracy, zastanowił się Heisenberg nad tym, co powinno zastąpić rozwinięcie fourierowskie w sytuacji kwantowej. Pojawia się wtedy oczywiście wiele różnych częstości, nie można przyjąć, że są one wielokrotnością jednej tylko częstości \omega. Co więcej, częstości zależą teraz od dwóch wskaźników:

\omega_{mn}=\dfrac{E_{m}-E_{n}}{\hbar}, \mbox{  (**)}

jest to warunek Bohra, będący w istocie zasadą zachowania energii (\hbar jest stałą Plancka podzieloną przez 2\pi). Można więc uznać, że teraz potrzebujemy także amplitud zależnych od dwóch wskaźników. Współrzędna x naszego oscylatora powinna być jakoś reprezentowana przez zbiór owych amplitud:

x \rightarrow \left\{ x_{mn}e^{i\omega_{mn} t} \right\} .

Nie powinniśmy teraz liczyć na to, że x(t) jest sumą takich wyrazów, raczej mówimy o pewnym zbiorze, który reprezentuje współrzędną w mechanice kwantowej, Heisenberg był tu nieprecyzyjny, bo prawdopodobnie nie potrafił lepiej tego wyrazić.

Czym będzie w takim razie kwadrat współrzędnej albo – co ciekawsze – iloczyn dwóch współrzędnych x oraz y? Mówimy o tym samym układzie, którego zestaw energii, a więc i częstości, jest ustalony. Jeśli także y dane będzie podobnym zestawem co x powyżej, to iloczynowi powinien odpowiadać zbiór

xy \rightarrow \left\{ (xy)_{mp}e^{i\omega_{mp}t} \right\},

gdzie

\boxed{(xy)_{mp}=\sum_{n} x_{mn}y_{np}.}

Zauważmy, że definicja ta daje prawidłowy czynnik wykładniczy:

e^{i\omega_{mp}t}=e^{i\omega_{mn}t}e^{i\omega_{np}t},

gdyż korzystając z (**), otrzymujemy:

\omega_{mp}=\omega_{mn}+\omega_{np}.

Definicja z ramki okazała się najważniejszym wynikiem tej przełomowej pracy Heisenberga. Zauważył on natychmiast, że przy takiej definicji xy\neq yx, czyli mnożenie dwóch wielkości będzie na ogół nieprzemienne.

Potrzebował jeszcze warunku kwantowania, uzyskał go w dość skomplikowanej postaci. Następnie zastosował wynaleziony formalizm do przypadku oscylatora anharmonicznego, tzn. gdy siła oprócz składnika proporcjonalnego do wychylenia zawiera także poprawkę kwadratową w wychyleniu. Nie będziemy powtarzać jego rachunków, pokażemy tylko, co stało się w następnym miesiącu.

Otóż w czasie gdy Heisenberg wojażował, Born wraz z Jordanem (młodszym o rok od Heisenberga, a więc mającym dwadzieścia dwa lata!) przyjrzeli się jego pracy z bardziej matematycznego punktu widzenia. Max Born skojarzył po kilku dniach, że widział już kiedyś takie mnożenie jak w ramce. Było to jeszcze na studiach we Wrocławiu, a chodziło o mnożenie macierzy. Wielkości Heisenberga były po prostu macierzami. Zauważyli też obaj, że ów skomplikowany warunek Heisenberga można macierzowo zapisać jako

\boxed{xp-px=i\hbar \mathbf{I},}

gdzie x,p były macierzami położenia i pędu, a \mathbf{I} macierzą jednostkową. Wielkości kwantowomechaniczne były więc macierzami i to takimi, które nie komutują. Od komutowania dzieli je niewiele, bo tylko stała Plancka – znaczy to, że w wielu sytuacjach różnica ta będzie nie do wykrycia, gdyż stała Plancka jest mała w zwykłych jednostkach (ujmując to inaczej, to nasze, dostosowane do ludzkiego ciała, jednostki są ogromne w skali atomowej, bo my sami składamy się z ogromnej liczby atomów).

Trudno dziś uwierzyć, że Max Born, matematyk z wykształcenia, dawny asystent Hermanna Minkowskiego, musiał wygrzebywać z zakamarków pamięci definicję mnożenia macierzy. Algebra liniowa przez ostatnie sto lat stała się dziedziną bardzo podstawową i uczy się jej powszechnie, nie tylko ze względu na mechanikę kwantową, ale także różne bardziej przyziemne zastosowania, np. w statystyce.

Najprostszym zastosowaniem mechaniki macierzowej jest oscylator harmoniczny. Jego energia ma postać:

H=\dfrac{1}{2}m\dot{x}^2+\dfrac{1}{2}m\omega^2 x^2,

(gdzie m to masa oscylatora), a równanie ruchu (odpowiednik równania Newtona):

\ddot{x}+\omega^2 x=0.

Wyrażenia mają tę samą postać co w mechanice klasycznej (kropki oznaczają pochodną po czasie), ale wszystkie wielkości x,\dot{x},\ddot{x} są teraz macierzami. Nietrudno znaleźć postać macierzy x_{mn}. Można wybrać ją jako macierz symetryczną: x_{mn}=x_{nm} i jedyne nieznikające wyrazy równe są

x_{n,n-1}=x_{n-1,n}=\sqrt{\dfrac{n\hbar}{2m\omega}}.

Macierz energii (zwana hamiltonianem) staje się diagonalna, tzn. nie znikają jedynie wyrazy z jednakowymi wskaźnikami:

H_{nn}=\hbar\omega\left(n+\dfrac{1}{2}\right), \mbox{ gdzie }\, n=0,1,2,\ldots.

Nasze macierze są nieskończone, gdyż oscylator ma nieskończenie wiele stanów wzbudzonych. Całe obliczenie znaleźć można w klasycznej książce L.D. Landaua i E.M. Lifszyca, Mechanika kwantowa.

Mechanikę kwantową rozwijali ludzie młodzi pod kierunkiem starszych oraz Erwin Schrödinger. Isnieje dość zabawne zdjęcie z uroczystości noblowskich w roku 1933, gdy twórcy mechaniki kwantowej odbierali swoje nagrody. Mamy tam Diraca i Heisenberga z matkami oraz Schrödingera z żoną. Ten ostatni, już po czterdziestce, mógł być niemalże ojcem młodszych laureatów.

Warto dodać może parę słów o Pacualu Jordanie. Był potomkiem hiszpańskiego oficera wojsk napoleońskich i zawziętym nacjonalistą, a także nazistą. W roku 1933 Born z racji żydowskiego pochodzenia był już na emigracji, Getynga wyglądała zupełnie inaczej. Jordan, który brał od początku udział w powstaniu mechaniki kwantowej, współtworzył także równolegle do Paula Diraca kwantową teorię pola, czyli relatywistyczną mechanikę kwantową. Gdyby nie nazistowskie sympatie, z pewnością zostałby laureatem Nagrody Nobla. Z czysto naukowego punktu widzenia należała mu się ona, choć trudno nie podzielać wątpliwości szwedzkiego komitetu, że przyznanie nagrody w takich okolicznościach byłoby złym sygnałem dla świata.

 

 

Dlaczego grawitacja wiąże się z krzywizną czasoprzestrzeni?

  • Przeniesienie równoległe

Wyobraźmy sobie najpierw powierzchnię zanurzoną w przestrzeni euklidesowej. Załóżmy, że określiliśmy na niej pewne współrzędne x=(x^1, \ldots, x^n) . Położenie punktu powierzchni możemy więc zapisać jako \vec{r}=\vec{r}(x^i) . Pochodne tego wektora po współrzędnych, utworzą zbiór wektorów stycznych do naszej powierzchni:

\vec{e}_j=\dfrac{\partial \vec{r}}{\partial x^j}.

Dowolny wektor styczny do powierzchni w danym punkcie można przedstawić jako kombinację liniową \vec{e}_j:

\vec{v}=v^j \vec{e}_j,

gdzie sumujemy po powtarzającej się parze wskaźników: górnym i dolnym. Jest to tzw. konwencja Einsteina, uczony mówił żartobliwie, że stanowi ona jego największe odkrycie matematyczne. W geometrii ważną rolę odgrywa równoległość: wiemy, co znaczy, że dwa wektory w przestrzeni euklidesowej są równoległe. Można koncepcję równoległości przenieść na nieskończenie bliskie wektory na zakrzywionej powierzchni. W przestrzeni euklidesowej nasz wektor \vec{v} ma pozostać stały, co oznacza, że

\delta\vec{v}=0=\delta v^j \vec{e}_j+v_j \delta \vec{e}_j.

W drugim wyrazie uwzględniliśmy, że nasza baza względem przestrzeni euklidesowej może się obracać. Zmiana każdego z wektorów bazy powinna być równa:

\delta\vec{e}_j=\dfrac{\partial \vec{r}}{\partial x^j \partial x^i }\delta x^i\stackrel{.}{=}{\Gamma}^k_{ij}\delta x^i \vec{e}_k.

Ostatnia równość \stackrel{.}{=} to w istocie rzut wektora z lewej strony na płaszczyznę styczną, pomijamy więc tę część wektora, która „wystaje” z powierzchni. Podstawiając to do warunku równoległości, otrzymujemy

\delta v^k=-\Gamma_{ij}^k v^i \delta x^j. \mbox{ (*)}

Oznacza to, że współrzędne wektora równoległego nieco się zmienią i zmianę tę opisują współczynniki \Gamma , zwane uczenie koneksją afiniczną. Znając funkcje koneksji, możemy dokonać przesunięcia równoległego wektora. Jeśli rozpatrzymy pewną krzywą x^j=x^j(\tau) (gdzie \tau jest czasem własnym), pochodne współrzędnych utworzą wektor prędkości styczny do toru:

v^k=\dfrac{d x^k}{d\tau}.

Najprostszym fizycznie ruchem będzie przesunięcie równoległe tego wektora wzdłuż krzywej (linii świata):

\delta \left(\dfrac{d x^k}{d\tau}\right)=-\Gamma_{ij}^k v^i \delta x^k,

skąd otrzymujemy równanie geodezyjnej:

\dfrac{{d\,}^2 x^k}{d\tau^2}+\Gamma_{ij}^k \,\dfrac{d x^i}{d\tau}\,\dfrac{d x^j}{d\tau}=0. \mbox{ (**)}

Jest to warunek na przeniesienie równoległe wektora prędkości wzdłuż krzywej, a więc coś najbliższego ruchowi jednostajnemu i prostoliniowemu z I zasady dynamiki.

Możemy teraz zapomnieć o przestrzeni euklidesowej i rozpatrywać przestrzeń, w której określone są współczynniki koneksji. Mamy wówczas krzywe geodezyjne – coś najbardziej zbliżonego do linii prostej. W teorii względności krzywe geodezyjne opisują ruch cząstki pod działaniem pola grawitacyjnego. Jak widać współczynniki koneksji komplikują równania ruchu i można je uważać za składowe pola grawitacyjnego, czy dokładniej grawitacyjno–bezwładnościowego. Kiedy współczynniki koneksji znikają, wracamy do ruchu prostoliniowego i szczególnej teorii względności (tzn. nie ma pola grawitacyjnego).

Równania geodezyjnej mogą więc nieść informację o polu grawitacyjnym. Zgodnie z zasadą równoważności nic tu nie zależy od masy poruszającej się cząstki. Okazuje się, że można za pomocą koneksji opisać grawitację także w mechanice klasycznej (zrobił to É. Cartan, już znając teorię Einsteina). Automatycznie opisujemy też siły bezwładności. Z punktu widzenia fizyka wcale nie jest dziwne, że w równaniu geodezyjnej mamy aż dwie prędkości: powinniśmy bowiem w tym formalizmie otrzymać zarówno siły Coriolisa liniowe w prędkości, jak i siły odśrodkowe, kwadratowe w prędkości. Z punktu widzenia zasady równoważności nie możemy lokalnie rozstrzygnąć, czy w naszym przypadku mamy do czynienia z polem grawitacyjnym, czy siłami bezwładności.

  • Krzywizna

Koneksja pozwala nam przenosić wektory równolegle wzdłuż krzywej. Wynik takiego przesuniecia może więc zależeć od kształtu krzywej. Aby zobaczyć, jak to działa, rozpatrzmy przesunięcie równoległe wektora v^i po infinitezymalnym zamkniętym równoległoboku geodezyjnych: po drodze x, x+\delta a, x+\delta a+\delta b, x+\delta b, x. Łączna zmiana wektora dana jest wyrażeniem:

\delta v^i=-\Gamma_{kj}^i(x) v^k(x) \delta a^j-\Gamma_{kj}^i(x+\delta a) v^k(x+\delta a) \delta b^j\\ \\ +\Gamma_{kj}^i(x+\delta b) v^k(x+\delta b) \delta a^j+\Gamma_{kj}^i(x) v^k(x) \delta b^j.

Można to wszystko zapisać w postaci:

\delta v^i=R^i_{kjl} v^k \delta b^j \delta a^l, \mbox{(***)}

gdzie R^i_{kjl} nazywa się tensorem krzywizny Riemanna i wyraża wzorem:

R^i_{kjl}=\Gamma^i_{lk,j}-\Gamma^i_{jk,l}+\Gamma^i_{jm}\Gamma^m_{kl}-\Gamma^i_{lm}\Gamma^m_{kl}.

W ostatnim wyrażeniu przecinki przed indeksem oznaczają różniczkowanie po odpowiedniej współrzędnej: A_{,i}\equiv\frac{\partial}{\partial x^i}. Przestrzeń jest zakrzywiona wtedy i tylko wtedy, gdy tensor krzywizny jest różny od zera. (Wektory i tensory transformują się w odpowiedni sposób przy zmianie układu współrzędnych, tak że znikanie w jednym układzie oznacza znikanie we wszystkich.) Koneksja jest zatem nietrywialna, gdy tensor krzywizny znika. Równanie (***) można zilustrować poglądowo: zmiana wektora proporcjonalna jest tu do pola powierzchni równoległoboku. Ponieważ każdą powierzchnię możemy rozbić na takie równoległoboki, więc łączna zmiana wektora w przesunięciu równoległym po zamkniętej pętli powinna być związana z krzywizną oraz polem powierzchni pętli. W przypadku sfery krzywizna jest stała i kąt obrotu wektora jest proporcjonalny do pola powierzchni pętli. W teorii względności pojawienie się krzywizny oznacza, że mamy nietrywialne pole grawitacyjne.

Tensor krzywizny ma wiele symetrii, które sprawiają, że ma nieco mniej niezależnych składowych, niż to wygląda na pierwszy rzut oka. W przypadku dwuwymiarowej powierzchni ma tylko jedną składową, w czterowymiarowej – dwadzieścia.

Klasycznym zastosowaniem przeniesienia równoległego jest wahadło Foucaulta.

  • Równanie dewiacji geodezyjnej

Brzmi to okropnie, nieco bardziej logiczne jest określenie: dewiacja linii geodezyjnych. Chodzi o to, co dzieje się wzdłuż pobliskich linii geodezyjnych. Możemy sobie wyobrazić dwie cząstki pyłu, które znajdują się nieskończenie blisko siebie w chwili początkowej. Obserwujemy, jak bedzie się zachowywać z czasem ich odległość mierzona różnicami współrzędnych. Zakladamy, że rozsądnie zaczynamy liczyć czas, tak żeby ułatwić porównanie dwóch ruchów.

Równanie dewiacji ma następującą postać:

\dfrac{D^2 \eta^i}{D\tau^2}=R^i_{jkl}\,\dfrac{dx^j}{d\tau}\,\dfrac{dx^k}{d\tau}\,\eta^l.

Różniczkowanie po lewej stronie oznacza pochodną po czasie własnym obliczoną jednak z uwzględnieniem przeniesienia równoległego. Nie możemy bowiem porównywać w przestrzeni zakrzywionej wektorów w dwóch różnych punktach przestrzeni, najpierw należy przenieść jeden z nich do punktu zaczepienia drugiego. Różnicę wektora wzdłuż krzywej wynikającą z jego zmiany: \frac{d\eta^i}{d\tau}d\tau należy poprawić, odejmując zmianę wynikającą z przesunięcia (*), łącznie otrzymamy

\dfrac{D\eta^i}{D\tau}=\dfrac{d\eta^i}{d\tau}+\Gamma^i_{jk}\,\dfrac{dx^j}{d\tau}\,\eta^k.

Jest to tzw. pochodna absolutna wzdłuż krzywej. Używając tego zapisu, możemy równanie geodezyjnej (**) zapisać w postaci

\dfrac{D}{D\tau}\dfrac{dx^i}{d\tau}=0.

Pochodna absolutna znika, gdy współrzędne wektora zmieniają się jedynie za sprawą przesunięcia równoległego, czyli w sensie fizycznym można powiedzieć, że się nasz wektor nie zmienia – przenosi się jedynie równolegle wzdłuż krzywej.

  • Równania pola Einsteina

Warto zauważyć, że do tej pory nie mówiliśmy nic o metryce naszej przestrzeni. W szczególnej teorii względności mamy naturalną miarę odległości dwóch zdarzeń w czasoprzestrzeni:

ds^2=dt^2-dx^2-dy^2-dz^2.

(Przyjmujemy c=1.) W zakrzywionej czasoprzestrzeni ogólnej teorii względności możemy zawsze wprowadzić taki układ współrzędnych, w którym interwał ds^2 przyjmie powyższą postać w danym punkcie. Nie można natomiast zwykle zrobić tego globalnie. Interwał czasoprzestrzenny ogólnie biorąc określa tensor metryczny g_{\mu\nu}. Podaje on przepis na obliczenie interwału za pomocą danych współrzędnych (gdy zmienimy współrzędne, postać metryki też się odpowiednio zmieni):

ds^2=g_{\mu\nu}dx^{\mu}dx^{\nu}.

Tutaj wskaźniki \mu,\nu=0,1,2,3. Mamy tu 10 niezależnych wartości (symetryczna macierz 4×4). Z matematycznego punktu widzenia koneksja i metryka to dwie różne struktury. Można je uzgodnić i tak jest w ogólnej teorii względności. Koneksja oraz tensor krzywizny wyrażają się przez metrykę. Lokalnie, w danym punkcie, nie tylko metryka może przybrać wartości znane ze szczególnej teorii względności, ale także współczynniki koneksji mogą znikać. Nie ma natomiast takiej transformacji współrzędnych, która sprowadza tensor Riemanna do zera, jeśli był niezerowy w innym układzie współrzędnych. Tensor Riemanna zawiera pierwsze i drugie pochodne metryki. Geodezyjne możemy też zdefiniować jako krzywe najkrótszej/najdłuższej długości, i są to wówczas te same geodezyjne co zdefiniowane wyżej.

Z fizycznego punktu widzenia metryka przypomina potencjał, a współczynniki koneksji – siły. Jaką postać moze mieć równanie pola w teorii Einsteina? Źródłem pola grawitacyjnego są masy, a u Einsteina także pędy i energie. Dla zbioru cząstek opisu dostarcza symetryczny tensor energii pędu: T_{\mu\nu}. Potrzebujemy więc jakiegoś tensora krzywizny o dwóch wskaźnikach. Taką wielkością jest tensor Ricciego zdefiniowany jako

R_{\mu\nu}=R^{\lambda}_{\mu\lambda\nu},

(sumowanie po wskaźnku \lambda). Można więc oczekiwać równania typu

R_{\mu\nu}=\kappa T_{\mu\nu}.

I jest to prawie dobre równanie, należy tylko zmodyfikować w nim lekko lewą stronę. Rzecz w tym, że tensor energii pędu powinien być zachowany, a lewa strona, tensor Ricciego nie spełnia tego warunku. Należy zastąpić go więc tensorem Einsteina:

G_{\mu\nu}=R_{\mu\nu}-\frac{1}{2}g_{\mu\nu}R=\kappa T_{\mu\nu},

gdzie R to skalar Ricciego: R=g^{\mu\nu}R_{\mu\nu} (g^{\mu\nu} jest macierzą odwrotną do g_{\mu\nu}. Jest to subtelność techniczna, na którą natrafił Einstein w listopadzie 1915 roku: 11 listopada proponuje pierwszą wersję, a 25 listopada tę niższą, już prawidłową. Ostatnie równanie można też przepisać w równoważnej postaci:

R_{\mu\nu}=\kappa (T_{\mu\nu}-\frac{1}{2}g_{\mu\nu}T^{\lambda}_{\lambda}).

W dalszym ciągu przyda nam się składowa 00 tego równania, w najprostszej sytuacji spoczywającej materii tylko składowa 00 tensora energii pędu jest różna od zera i równa jest gęstości materii \varrho. Otrzymamy wówczas

R_{00}=\kappa (T_{00}-\frac{1}{2}T_{00})=\frac{1}{2}\kappa T_{00}=\frac{1}{2}\kappa \varrho.

Aby znaleźć stałą \kappa, należy skorzystać z równań dla grawitacji Newtonowskiej, która powinna być przypadkiem granicznym.

W tym celu wyobraźmy sobie równanie dewiacji zastosowane do dwóch swobodnie spadających cząstek. Zakładamy, że w chwili początkowej \tau=0 obie spoczywają względem siebie. Wybieramy układ współrzędnych związany z cząstką centralną (względem której obliczana jest dewiacja). W takim układzie odniesienia czas własny i czas t są tym samym. Dla wskaźników przestrzennych i=1,2,3 równanie dewiacji sprowadza się do

\dfrac{d^2\eta^i}{dt^2}=R^{i}_{00l}\eta^l=-R^i_{0l0}\eta^l.

Skorzystaliśmy z faktu, że nasza cząstka centralna spoczywa: \frac{dx^\mu}{dt}=(1,0,0,0). W drugiej równości zmieniliśmy znak wraz z przestawieniem pary ostatnich wskaźników w tensorze Riemanna. Wynik ten obowiązuje dla trzech przyspieszeń wzdłuż trzech osi kartezjańskich. Załóżmy, że mamy kulę pyłu o promieniu r, początkowo nieruchomą, której środek obraliśmy za początek wektora \eta. Objętość kuli to

V=\dfrac{4\pi}{3}r_x r_y r_z,

gdzie zaznaczyliśmy, że wzdłuż trzech osi kartezjańskich promienie mogą się zmieniać niezależnie (przekształcając kulę w elipsoidę). Obliczając drugą pochodną objętości w chwili t=0 (pamiętamy, że pierwsze pochodne znikają), otrzymujemy:

\dfrac{\ddot{V}}{V}=\dfrac{\ddot{r}_x}{r_x}+\dfrac{\ddot{r}_y}{r_y}+\dfrac{\ddot{r}_z}{r_z}=-R_{00}.

W ostatniej równości, skorzystaliśmy z faktu, że R^0_{000}=0 – można więc sumowanie po wskaźnikach przestrzennych rozszerzyć o wskaźnik czasowy. Możemy tę samą wielkość obliczyć z Newtonowskiego prawa ciążenia. Przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni kuli pyłu o masie M równe jest

g=\dfrac{GM}{r^2},

Wobec tego druga pochodna objętości spełnia równanie

\dfrac{\ddot{V}}{V}=-3\dfrac{g}{r}=-4\pi G \varrho.

gdzie \varrho to gęstość naszej kuli (&). Zatem szukana stała równa jest \kappa=8\pi G. Równanie Einsteina powinno mieć zatem postać.

G_{\mu\nu}=8\pi G T_{\mu\nu}.

Podsumowując, w roku 1915 Albert Einstein (podobnie zresztą jak najlepsi ówcześni matematycy) nie rozumiał dokładnie roli tensora Ricciego i nie widział, że równania pola są praktycznie wyznaczone przez kilka dość prostych warunków matematycznych. Oczywiście, nie są to jedyne możliwe matematycznie równania, ale jak pokazują przykłady późniejszych teorii grawitacji (a było ich przez sto lat sporo), równania Einsteina są najprostsze i jak dotąd potwierdzane są przez obserwacje. Kiedy później uczony zrozumiał, że w gruncie rzeczy można by dojść do teorii grawitacji drogą matematyczną, zaczął wyżej cenić osiągnięcia czystej matematyki. Stało się to poniekąd źródłem jego późniejszych niepowodzeń przy konstrukcji jednolitej teorii pola: z braku danych fizycznych szukał bowiem drogi matematycznej. Skonczyło się na dość jałowych próbach, które nie wzbogaciły zbytnio ani matematyki, ani fizyki.

(&) Nie jest to całkiem ścisłe rozumowanie, ponieważ milcząco założyliśmy, że nie ma innej materii niż kula pyłowa. Naprawdę należałoby obliczyć strumień pola grawitacyjnego przez powierzchnię kuli (on już zależy wyłącznie od tego, co znajduje się wewnątrz kuli), a potem skorzystać z tw. Gaussa-Ostrogradskiego i obliczyć dywergencję pola grawitacyjnego w punkcie centralnym. Tę wartość można porównać z tym, co wynika z równania dewiacji geodezyjnej. Oczywiście wynik jest taki sam.

Nie rozwijałem tu kwestii, czym są tensory. W największym skrócie są to obiekty niezależne od wyboru współrzędnych, podobnie jak trójwymiarowe wektory (które są szczególnym jednowskaźnikowym typem tensora). W teorii Einsteina dopuszczamy praktycznie wszelkie gładkie transformacje współrzędnych (ogólna kowariantność). Równania prawidłowo zapisane w ten sosób automatycznie słuszne będą w każdym układzie współrzędnych. Einstein wrócił do tensorów już w trakcie swej „rewolucji listopadowej” – kiedy co tydzień publikował nową pracę na temat teorii grawitacji, przy okazji modyfikując albo zmieniając poprzednie. Ten dziwny tryb publikowania wiązał się z tym, że w Getyndze David Hilbert, jeden z czołowych matematyków świata, także pracował nad podobną teorią. Einsteinowi groziło, że po siedmiu latach pracy zostanie prześcignięty, by tak rzec na ostatnich metrach przed finiszem. Nigdy później (ani wcześniej) nie publikował tak gorączkowo. Starał się też zazwyczaj wykazywać bardziej olimpijski spokój, co oczywiście było znacznie łatwiejsze, kiedy się było autorem epokowej teorii.

Gdyby ktoś chciał szczegółowo przejść obliczenia tensora krzywizny i równania dewiacji, może znaleźć je np. tutaj, na stronie Alana Heavensa s. 22-24.

Interpretacja tensora Ricciego za pomocą objętości kul opisana jest np. w pracy Johna C. Baeza i Emory’ego F. Bunna.

Michele Angelo Besso, przyjaciel Einsteina

Historia zna wiele przypadków, kiedy tylko pesymiści mieli rację, a radosna większość beztrosko podążała ku zgubie. W roku 1936 większość Niemców zadowolona była z kanclerza Hitlera, który podniósł kraj z kolan i zlikwidował bezrobocie. Prawie nikt oprócz przeciwników reżimu nie myślał o nieuniknionym smutnym końcu tego państwa. Einstein, obserwując sytuację w Europie, pisał z Ameryki do Bessa:

Sprawy ludzkie w naszych czasach mniej niż kiedykolwiek napawają radością, by nie wspomnieć o tych głupcach z Niemiec. Teraz okazuje się w końcu, jak proroczym umysłem był prof. Winteler, który tak wcześnie rozpoznał całą powagę tego zagrożenia [Fölsing, s. 55].

Znali się z Bessem wówczas niemal czterdzieści lat i choć nie mieli się już nigdy spotkać osobiście, pisali do siebie regularnie. Albert Einstein miał dar zaprzyjaźniania się z ludźmi, i to na całe życie. Jedna z najdłuższych znajomości wiązała go z Michele Angelo Besso, starszym o sześć lat inżynierem budowy maszyn po Politechnice w Zurychu (późniejszej ETH). Poznali się na wieczorku muzycznym w salonie państwa Hüni, właścicieli sklepu muzycznego w Zurychu, obaj bowiem grali na skrzypcach. Czytając o ludziach z końca XIX wieku, ma się wrażenie, że niemal wszyscy muzykowali, a w każdym razie bywali na różnych domowych wydarzeniach muzycznych. Łączyło to ludzi w różnym wieku, różnych zawodów i upodobań. Osiemnastoletni Einstein kończył już zapewne pierwszy rok studiów na kierunku nauczycielskim tej samej uczelni. Można sądzić, że zbliżyło ich także i to, że uczyli się u tych samych profesorów fizyki: Heinricha Webera i Johanna Perneta i matematyki: Adolfa Hurwitza i Karla Geisera. Besso uzyskiwał zresztą lepsze stopnie niż Einstein, który chodził swoimi drogami, szybko przestał cenić wiedzę przekazywaną na uczelni i niezbyt się przykładał, zwłaszcza do matematyki. Besso zawdzięczał też Einsteinowi i owym wieczorkom muzycznym znajomość ze swą przyszłą żoną Anne Winteler.

Rodzina Wintelerów stała się wspólnym ogniwem łączącym ich życie. Einstein trafił do domu Josta i Pauline Winteler w Aarau w roku 1895 po oblanych egzaminach na Politechnikę. W tamtejszej szkole kantonalnej uzupełniać miał wiedzę z potrzebnych przedmiotów, mieszkając na stancji u Wintelerów. Jost Winteler, językoznawca, autor nowatorskiej dysertacji na temat jednego ze szwajcarskich dialektów, filolog, ornitolog i poeta, należał do grona nauczycielskiego szkoły. Jego żona Pauline szybko stała się dla Alberta kimś bliskim, niemalże drugą matką. Wintelerowie mieli też siódemkę dzieci, od najstarszej Anne, przez Josta Fridolina, Rosę, Marie, Mathiasa, Josta juniora do Paula. Swój pierwszy romans przeżył Albert z Marie Winteler. Odsunął się jednak od niej, kiedy podczas studiów poznał Milevę Marić, swą późniejszą żonę. Marie mocno to przeżyła i związki Alberta z Wintelerami przejściowo osłabły. Po kilku latach Marie wyszła za mąż za dyrektora fabryki zegarków. Wiadomo, że w późniejszych latach ich romans odżył w sekrecie. Kilka lat po Albercie również jego siostra, Maja, mieszkała przez czas nauki u Wintelerów i wyszła potem za mąż za najmłodszego ich syna Paula.

Rodzina Wintelerów: od lewej Marie, Maja Einstein, Paul, Anna, rodzice: Jost i Pauline, Rosa

Jost Winteler kultywował staroświecki liberalizm, ideały republikańskie, kształcił swoje dzieci (także córki), niechętnie myślał o niemieckim szowinizmie, który znał jeszcze swe swych studiów w Jenie i który docierał aż do Szwajcarii. Einstein zawdzięczał Jostowi wiele swych poglądów na świat polityki i historii. Podobne liberalne poglądy żywił Alfred Stern, profesor historii, u którego Albert bywał jako student na obiadach. Besso uczęszczał na jeden z jego wykładów. Szwajcarskie środowisko młodego Einsteina nie przywiązywało wagi do narodowości. Einstein dopiero w Berlinie wiele lat później poczuł się Żydem.

Jeszcze innym elementem łączącym Bessa i Alberta oraz Maję Einsteinów były Włochy. Besso, urodzony pod Zurychem, pochodził z rodziny wywodzącej się z Triestu. Mówił równie swobodnie po włosku i po niemiecku, znał też francuski i angielski. Rodzice Einsteinów mieszkali wówczas we Włoszech, więc Albert kursował między Pawią a Zurychem. Choć uczony nie znał dobrze włoskiego, lubił ten język i w korespondencji z Tulio Levi-Civitą podczas pierwszej wojny światowej, nalegał, by matematyk pisał do niego w swoim języku (odpowiadał mu jednak po niemiecku). Besso także w pewnych okresach życia mieszkał we Włoszech. We Florencji spędzili wiele lat Maja Einstein (doktor filologii romańskiej) z Paulem: ona usiłowała prowadzić pensjonat, on malował obrazy.

Namiętnością Bessa była wiedza. Przez całe życie, aż do późnej starości, pochłaniał książki, uczęszczał na wykłady, robił notatki, należał do towarzystw naukowych. Zajmował się przy tym dziedzinami tak różnymi, jak filozofia, neurofizjologia, polityka, psychologia, prawo przemysłowe, literatura angielska, różne dziedziny fizyki i matematyki. I nie były to zainteresowania powierzchowne: Besso chodził na wykłady takich uczonych, jak Einstein czy Hermann Weyl i był ich aktywnym uczestnikiem, zadającym pytania i starającym się zrozumieć różne kwestie. Przez kilka lat Albert i Michele pracowali razem w Urzędzie Patentowym w Bernie. To Einstein ściągnął tam przyjaciela, często razem wracali do domu, dyskutując nad zagadnieniami fizyki. Besso jest jedyną osobą, którą Einstein wymienia z wdzięcznością w swoim epokowym artykule na temat teorii względności.

Przyjaciele współpracowali też w czerwcu 1913 roku, gdy Besso (mieszkający wtedy w Gorycji) odwiedził Einsteina w Zurychu. Uczony ukończył wtedy ważną pracę wspólnie z Marcelem Grossmannem, w której podał równania pola grawitacyjnego. Była to tzw. teoria Entwurf (co znaczy tyle co zarys). Einstein przekonał wówczas sam siebie, iż jest to prawidłowa teoria. Nie była ona szczególnie elegancka, ale w końcu nikt nie powiedział, że równania fizyki muszą koniecznie być eleganckie. Mają prawidłowo opisywać zjawiska, i to wszystko. Kłopot w tym, że nie było zbyt wielu zjawisk możliwych wtedy do wykrycia. Inaczej mówiąc, stara teoria Newtona nawet po przeszło dwóch wiekach trzymała się dobrze. Czemu więc w ogóle ulepszać coś, co okazało się dobre? Einstein był fizykiem dobrze „słyszącym” pojęcia i wychwytującym świetnie wszelki fałsz i brak harmonii. To go zaprowadziło do szczególnej teorii względności. Ale szczególna teoria względności była niekompatybilna z grawitacją. Potrzebna była teoria traktująca grawitację jako pole, analogiczne do pola elektrycznego i magnetycznego. Do tego punktu Einstein nie był sam – wielu innych próbowało w tych latach zbudować teorię grawitacji jako pola. Einstein miał jednak inny punkt wyjścia: grawitacja, podobnie jak bezwładność, mierzona jest masą. Właściwie są to dwa różne pojęcia masy: można osobno mierzyć masę grawitacyjną i osobno bezwładną. Okazuje się, że są one równe. Z punktu widzenia teorii był to swoisty „cud”, arbitralne założenie, dodane, by opisać rzeczywistość. Toteż Einstein pracował nad teorią, w której bezwładność i grawitacja będą wymienne, a to zaprowadziło go do przestrzeni zakrzywionych i szukania pomocy u Marcela Grossmanna, matematyka i przyjaciela ze studiów.

Istniał niewielki efekt, którego astronomom nie udawało się wyjaśnić: orbita Merkurego, w pierwszym przybliżeniu eliptyczna, obraca się powoli. Większość tego obrotu (równego 570’’) wyjaśnić można przyciąganiem innych planet, pozostawała jednak niewielka różnica 41 sekund kątowych na stulecie. Zauważył to jeszcze w połowie XIX wieku Urbain Le Verrier i po półwieczu analiz różnica ta nadal się utrzymywała i nikt nie miał dobrego pomysłu na jej wyjaśnienie. Chwytano się pomysłów rozpaczliwych, np., że wykładnik w prawie grawitacji różni się troszeczkę od dwóch albo że są jakieś niewidoczne obłoki materii blisko Słońca, które wpływają na ruch Merkurego. Mając teorię Entwurf Einstein chciał sprawdzić, czy uda się za jej pomocą wyjaśnić obrót peryhelium Merkurego. Zachował się rękopis (Einstein Papers, t. 4, doc. 14), w którym obaj przyjaciele obliczali ową wielkość obrotu peryhelium. Jest on świadectwem, że w osobie Bessa Einstein miał nie tylko interlokutora, ale i do pewnego stopnia kolegę. Niewykluczone też, że uczony chciał wciągnąć w ten sposób Bessa do pracy naukowej i zachęcić do przeprowadzenia dalszych rozważań, które można by opublikować. Wielkość efektu, którą uzyskali równa była 1821’’, czyli około pół stopnia na stulecie. Musieli jednak później zdać sobie sprawę z błędu w rachunkach: wstawili do obliczeń przez pomyłkę sto razy za dużą masę Słońca. Efekt ów był naprawdę równy 18’’ na stulecie. Czyli nadal źle, ale w końcu nie było żadnej pewności, czy w ogóle owe 41’’ uda się wyjaśnić za pomocą innej teorii grawitacji. Astronomowie mogli się gdzieś po drodze pomylić albo nie wziąć pod uwagę jakichś istotnych faktów. Inne teorie grawitacji z tego okresu nie radziły sobie lepiej. Besso wrócił wkrótce do Włoch, zabierając ze sobą obliczenia. W następnym roku obliczenia podobne do Einsteina i Bessa opublikował Johannes Droste, holenderski nauczyciel matematyki, który później napisał doktorat poświęcony ogólnej teorii względności. Besso nigdy nie zrobił doktoratu, może czuł, że aktywna praca naukowa nie jest dla niego. W tamtych czasach nie było zresztą łatwo o płatną posadę naukową i często nawet wybitni uczeni musieli przez wiele lat zarabiać w inny sposób. Jak się zdaje, Besso nie był w dostatecznym stopniu skoncentrowany na jednym, interesowało go wiele rzeczy, a przy tym brakowało mu uporu, aby zmagać się z jednym zagadnieniem przez długi czas. Ludzie tacy jak Besso nie osiągają zaszczytnych stanowisk, choć może to dzięki nim świat wydaje się nieco lepszy. Einstein lubił idealistów, nawet dziwaków, niezwykle wysoko cenił też zawsze inteligencję Bessa, a przecież z biegiem lat poznał najwybitniejsze umysły epoki. Kiedy już obaj byli starzy, napisał przyjacielowi: „Nadal wierzę, że gdybyś był w większym stopniu monomaniakiem, mógłbyś osiągnąć coś naukowo wartościowego. Motyl nie jest kretem, ale żaden motyl nie pownien tego żałować” [6 I 1948].

Ostatecznie teoria Entwurf okazała się fałszywa, co Einstein zauważył dopiero we wrześniu 1915 roku. Jednak obliczenia przeprowadzone w roku 1913 wraz Michele Besso okazały się niezwykle pomocne, gdy w listopadzie sformułował nowe równania pola i powtórzył rachunki dla peryhelium Merkurego – tym razem dały one prawidłowy rezultat. Było to, jak Einstein później twierdził, jego najsilniejsze przeżycie naukowe: teoria zbudowana tak, by uzyskać większą przejrzystość pojęć, w oderwaniu od bezpośrednich danych eksperymentalnych, dała oto prawidłowy rezultat dla efektu znanego i niewyjaśnionego od dawna. A więc składając ze sobą starannie i uważnie idee oderwane, można wyjrzeć z platońskiej jaskini i lepiej zrozumieć ruch planet.

Później Besso, który znał także Milevę, służył często jako pośrednik w jej trudnych kontaktach z Einsteinem, czy nawet jako swego rodzaju zastępczy ojciec dla jego synów. Po I wojnie światowej zamieszkał znowu w Szwajcarii znajdował się więc znacznie bliżej dawnej rodziny Einsteina. Uczony żywił dużo szacunku dla moralnej postawy Bessa, ale chwilami trudno im się było porozumieć, zwłaszcza podczas bolesnego i wieloletniego konfliktu Alberta z Milevą zakończonego rozwodem. Ona walczyła zażarcie o pieniądze i pełne decydowanie o życiu synów. Jak się zdaje, w obu kwestiach osiągnęłaby to samo, nie stawiając spraw na ostrzu noża. Einstein chciał być dobrym ojcem i nie był też skąpy. Zapewne to urażona duma i zawiedziona miłość Milevy stały się główną przeszkodą w negocjacjach.

Besso, namawiany wielokrotnie do napisania biografii przyjaciela, miał na tyle dużo taktu, aby tego nie robić, choć postać Einsteina gwarantowała finansowy sukces przedsięwzięcia. Po dojściu Hitlera do władzy Einstein wyjechał na stałe do Stanów Zjednoczonych i nawet po wojnie nie odwiedził Europy, szczególnie unikając kontaktów z Niemcami. Besso mieszkał w Bernie, potem w Genewie. Na początku roku 1955 Einstein dowiedział się o śmierci przyjaciela. Odpisał wtedy jego synowi (któremu kiedyś zbudował pierwszego latawca), podkreślając harmonię życia zmarłego, jego udane życie rodzinne, którego sam nie osiągnął, a także jego niezawodny zmysł moralny.

Teraz znowu, raz jeszcze, wyprzedził mnie, żegnając ten dziwny świat. To nie ma żadnego znaczenia. Dla nas, wierzących fizyków, podział na przeszłość, teraźniejszość i przyszłość jest jedynie iluzją, nawet jeśli mocno zakorzenioną [A. Einstein do Vero i Bice Besso, 15 III 1955].

Rękopis Einsteina-Bessa znajduje się w Einstein Papers, t. 4.

Fritz Haber, nieszczęśliwy kochanek ojczyzny

Urodził się we Wrocławiu, zmarł w Bazylei w 1934 roku, złamany i de facto wygnany z ojczyzny, która odebrała mu wszystko: jego Instytut, dom, większość pieniędzy, sens życia.

Pochodził z rodziny żydowskiej, ojciec, o wagnerowskim imieniu Siegfried, był kupcem obracającym barwnikami, farbami i lekarstwami. Matka zmarła wkrótce po jego urodzeniu, zrozpaczony ojciec długo nie potrafił dojść do siebie, niezbyt też kochał chłopca przypominającego mu o tragedii. Zajmowały się nim różne ciotki, potem macocha, Hedwig z domu Hamburger, która, choć bardzo młoda w chwili zamążpójścia, umiała zdobyć zaufanie i miłość Fritza. Jako dorosły mężczyzna nie rozumiał on jednak nigdy kobiet i ich emocji. Żył raczej w świecie męskich przyjaźni, ambicji, rozrywek. Lubił skupiać na sobie uwagę, łatwo się zaprzyjaźniał i potrafił przyjaźnie podtrzymywać. Później, kiedy został już wielkim człowiekiem nauki niemieckiej, interesował się losami współpracowników, patronował młodszym, pomagał, często także finansowo.

Mimo błyskotliwej inteligencji nie zapowiadał się na wybitnego uczonego, zrobił wprawdzie doktorat w Berlinie, ale potem jego kariera utknęła, wrócił nawet na jakiś czas pomagać ojcu w interesach, ale było to doświadczenie wybitnie nieudane. Na wiadomość o cholerze w Hamburgu Fritz sprowadził duże ilości wapna chlorowanego, które stosowano wówczas jako środek dezynfekcyjny. Ognisko cholery szybko jednak wygasło i spodziewana epidemia nie wybuchła. Zostali z dużymi zapasami wapna chlorowanego.

Fritz uciekł od ojca, uciekł też w pewnym sensie od swojego środowiska, postanawiając się ochrzcić w kościele luterańskim. Religia, zarówno żydowska, jak i chrześcijańska, nie odgrywała w jego życiu istotnej roli. Chodziło raczej o upodobnienie się do większości społeczeństwa niemieckiego. Był gorącym patriotą i pragnął się jakoś wykazać. Podczas służby wojskowej zabiegał o stopień oficerski. Zdał potrzebne egzaminy, decyzja była jednak odmowna, jak można sądzić, stały za nią przyczyny rasowe: korpus oficerski bardzo bronił się przed ludźmi z niższych klas, a także Żydami, którzy bywali co najwyżej lekarzami wojskowymi. Należy zdać sobie sprawę, jak ważna społecznie była w cesarskich Niemczech kasta oficerska. Stopień porucznika rezerwy otaczał posiadacza nimbem przez całe życie, bez względu na to, co ów człowiek w życiu osiągnął. Einstein zapamiętał na całe życie pewnego profesora z gimnazjum w Monachium, który obnosił się ze swym stopniem porucznika – przykłady tego rodzaju zniechęciły go na resztę życia do nacjonalizmu.

Fritz zdecydował się zrobić karierę naukową, na początek znaczyło to bezpłatną asystenturę na trzeciorzędnym uniwersytecie w Jenie. Opowiadał później anegdotkę, jak to wędrował kiedyś w upale po górach i szukał ochłody w wiejskim wodopoju. Zanurzył w nim głowę i dostrzegł w tym samym momencie wołu, który zrobił to samo co on. Gdy wynurzył głowę, spostrzegł, że zamienili się z wołem na głowy. I od tej chwili moja kariera naukowa nareszcie ruszyła z miejsca – dodawał. Naprawdę zaczęła się ona trzy lata po doktoracie, gdy w 1894 roku przeniósł się do Szkoły Technicznej w Karlsruhe i dostał pierwszą płatną posadę. Zaczął się zajmować chemią fizyczną, dziedziną młodą i stojącą wówczas w Niemczech na wysokim poziomie: działali tu Wilhelm Ostwald, a także o kilka lat starszy Walther Nernst, którego już niebawem stać było na kupienie posiadłości ziemskiej i jednego z pierwszych samochodów – wszystko to dzięki sprzedaży patentu na rodzaj żarówki. Haber wkrótce dał się poznać w środowisku jako niezwykle ambitny i asertywny młody człowiek, gotowy do upadłego spierać się o swoją rację nawet z największymi autorytetami (co niektórym, np. Ostwaldowi nawet się podobało). Haber napisał podręcznik, awansował na profesora nadzwyczajnego i ożenił się z Clarą Immerwahr z Wrocławia.

Żydzi wrocławscy często zawierali małżeństwa w swoim środowisku, wielu z nich było ze sobą spokrewnionych czy spowinowaconych. Clara nie mogła chodzić do gimnazjum, ponieważ nie przyjmowały one dziewcząt. Dzięki prywatnym lekcjom i własnej pracy osiągnęła poziom wiedzy maturalnej i zdała eksternistyczny egzamin, który to potwierdzał. Studiowała chemię na Uniwersytecie Wrocławskim (uczęszczanie kobiety na wykłady wymagało zgody każdego profesora z osobna). Obroniła też tam doktorat z jako pierwsza kobieta w dziejach uczelni. Jej promotorem i mentorem był Richard Abegg, kolega Habera z klasy. Małżeństwo z Haberem oznaczało nie tylko wyjazd z Wrocławia, ale także porzucenie pracy naukowej. Miała teraz być żoną profesora, która prowadzi mu dom na odpowiednim poziomie. Sytuacja ta stała się źródłem frustracji Clary, która nie była tak zdeterminowana jak starsza niecałe trzy lata Maria Skłodowska. Haber nie był też skłonny przejmować się uczuciami innych ludzi, był egocentrykiem dążącym do sukcesu.

Sukces nadszedł i u jego źródła leżała rywalizacja. Tym razem z Nernstem. Chodziło o reakcję łączenia azotu i wodoru w amoniak. Problemem tym interesowali się chemicy od dłuższego czasu: amoniak bowiem jest dobrym surowcem wyjściowym do uzyskiwania nawozów sztucznych (może być nawet wykorzystywany bezpośrednio jako nawóz, wymaga to wszakże odpowiedniego sprzętu), a także materiałów wybuchowych. Szybka urbanizacja i wzrost liczby ludności wywołały w XIX wieku coraz większe zapotrzebowanie na nawozy sztuczne, które zapobiegały wyjałowieniu gleby poddanej intensywnej uprawie. Importowano w tym celu saletrę z Chile, gdzie jej wydobycie stało się osobnym przemysłem. Synteza amoniaku z azotu atmosferycznego była bardzo kusząca, ale było też wiadomo, że nie jest to reakcja łatwa do przeprowadzenia. Spór Habera z Nernstem dotyczył punktu równowagi w reakcji syntezy amoniaku (gdy reakcja osiąga w danych warunkach punkt równowagi tyle samo cząsteczek amoniaku powstaje w jednostce czasu, ile samorzutnie się rozpada). Wiadomo było, że chcąc wytworzyć więcej amoniaku, należało zwiększyć ciśnienie, a także zastosować niezbyt wysoką temperaturę. Jednak w niewysokiej temperaturze zarówno reakcja syntezy, jak i reakcja przeciwna zachodzą powoli i w ten sposób nie uda się uzyskać znaczących ilości amoniaku. Nernst autorytatywnie orzekł, że dane Habera są nieścisłe i że naprawdę nie uda się wytworzyć znaczących ilości amoniaku, łącząc oba gazy nawet w obecności katalizatora.

Haber chciał wykazać, że to on ma rację. Współpracował z koncernem chemicznym BASF (Badische Anilin- & Soda-Fabrik), który finansował badania i zobowiązał się płacić pewną kwotę od każdego kilograma wyprodukowanego w ten sposób amoniaku. Razem z Robertem Le Rossignol, utalentowanym Anglikiem, który u niego pracował, skonstruowali aparaturę, w której udało się pod ciśnieniem 200 atmosfer uzyskać amoniak. Stało się to w rok po podpisaniu umowy. BASF z początku nie był przekonany, ale Carl Bosch, pracujący tam inżynier, przekonał zarząd do zajęcia się tym tematem. Z jednej strony należało pokonać duże przeszkody techniczne: aparatura pracująca pod takimi ciśnieniami mogła być niebezpieczna w eksploatacji, z drugiej strony rysowała się perspektywa ogromnych zarobków w razie powodzenia. Bosch poradził sobie z trudnościami przeskalowania procesu Habera na skalę przemysłową, z czasem został prezesem IG Farben, koncernu, który powstał z BASF, a także laureatem Nagrody Nobla w roku 1931. Po dojściu nazistów do władzy Bosch stopniowo wycofał się z działalności publicznej.

Fritz Haber stał się najbardziej znanym chemikiem Niemiec. Zaproszony został jako dyrektor nowo powstającego Instytutu Chemii Fizycznej im. Cesarza Wilhelma. Była to placówka pomyślana w stylu amerykańskim: chodziło o finansowanie działalności naukowej z prywatnej kiesy pod patronatem cesarza. Dyrektor opłacany był przez państwo, aby władze miały wpływ na obsadę tego stanowiska. Budowę i część kosztów utrzymania Instytutu pokrył żydowski bankier i przedsiębiorca Leopold Koppel. Postawił przy tym warunek, że dyrektorem zostanie Fritz Haber. Koppel wcześniej współpracował już z Haberem i był pod wrażeniem jego energii, zdolności organizacyjnych i inteligencji. Stworzono w ten sposób placówkę wybitną, skupiającą wielu uczonych z całego świata. Słynne były kolokwia co drugi poniedziałek. Błyszczał na nich w sposób naturalny Haber, który potrafił każde zagadnienie sprowadzić do istotnych punktów badź zadać pytania, odsłaniające problem. Bardzo przy tym dbał, aby mówiono prosto, unikając zbyt specjalistycznego żargonu. Jak to kiedyś ujął: w Berlinie odbywają się już inne, czwartkowe posiedzenia, na których nikt nikogo nie rozumie, lecz nie przenośmy tego zwyczaju na poniedziałki. Aluzja dotyczyła posiedzeń Pruskiej Akademii Nauk, w których Haber także zresztą uczestniczył.

Gdy Albert Einstein sprowadzony został do Berlina wiosną 1914 roku, jedną z jego funkcji było dyrektorowanie Instytutem Fizyki im. cesarza Wilhelma. Sam Instytut jeszcze nie powstał i Einstein urzędował w Instytucie Habera. Instytut Fizyki nie został zbudowany w czasie pobytu Einsteina w Berlinie, przypuszczalnie głównie dlatego, że uczony się tym zupełnie nie interesował. Polityka akademicka niezbyt go obchodziła i nawet nie próbował być organizatorem. Mimo to obaj się zaprzyjaźnili z Haberem, mieli do siebie nawzajem nie tylko respekt naukowy, Haber pomógł Einsteinowi w początkach jego pobytu w Berlinie. Działał nawet jako pośrednik między Albertem a Milevą – małżeństwo Einsteinów rozpadło się do lata i Mileva z synami wróciła do Zurychu. Clara Haber wykazywała chyba zrozumienie dla sytuacji Milevy, która przecież kiedyś także pragnęła być uczoną, a została sprowadzona do roli matki i gospodyni.

Przyjaźń obu uczonych wystawiona została wkrótce na dużą próbę. Wybuchła wojna światowa i Haber rzucił się w wir pracy dla armii. Był jednym z inicjatorów broni chemicznej, osobiście nadzorował nie tylko eksperymenty, ale także jej użycie na froncie. Został też kapitanem na osobisty rozkaz cesarza, co strasznie mu imponowało. Widać tu hierarchię społeczną Niemiec: sławny uczony, przyszły noblista, wpada w euforię, mogąc zostać kapitanem armii jak pierwszy lepszy junkier.

(Drugi od lewej Haber)

Broń chemiczna nie przechyliła szali zwycięstwa. Haber miał jednak wielki wpływ na decyzje o powiększeniu fabryk amoniaku zaraz na początku wojny. Armia niemiecka miała spore zapasy amunicji, ale przygotowana była na krótką, najwyżej kilkumiesięczną wojnę. Planowano szybko zdobyć Paryż dzięki atakowi przez neutralną Belgię. Po podpisaniu kapitulacji przez Francję Niemcy miały zwrócić swój wysiłek wojenny przeciw Rosji. Kiedy zaczęła się wojna pozycyjna, stało się jasne, że potrzeba będzie mnóstwo amunicji. W dodatku flota brytyjska kontrolowała transporty i nie było mowy o imporcie saletry z Chile. Jedynym rozwiązaniem było szybkie wybudowanie nowych urządzeń do produkcji amoniaku i przetwarzania go dalej na materiały wybuchowe. Haber i Bosch uzyskali decyzję o pospiesznej budowie odpowiednich zakładów. Haber podczas wojny rozkwitł, poswięcał się obowiązkom niemal bezgranicznie. Nawet samobójstwo Clary nie wytrąciło go z rytmu pracy: nazajutrz pojechał, tak jak było zaplanowane, na front doglądać przygotowań do kolejnych ataków gazowych. Nie mamy dziś pewności, co było motywem Clary. Była już wystarczająco nieszczęśliwa w tym małżeństwie, nawet zanim zaczęły się prace nad gazami trującymi. Być może z jej punktu widzenia życie obok Fritza obróciło się w koszmar, a on w potwora napędzanego szowinizmem. Clara nie ceniła tak wysoko społecznego uznania, tytułów, zaszczytów. Dla Habera uznanie było wszystkim, zwłaszcza uznanie najwyższych osób w państwie.

Jeszcze podczas wojny Haber ożenił się po raz drugi z niewiele starszą od swego syna Charlotte Nathan. Także to małżeństwo nie przetrwało, zakończył je rozwód. Wojna została przegrana. Haber otrzymał Nagrodę Nobla, choć obawiał się z początku, że może być ścigany za złamanie Konwencji Haskich o broni chemicznej.

https://www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=1100

(Nagranie z uroczystości wręczenie Nagród Nobla w roku 1920: od lewej Haber, Charles Glover Barkla, Max Planck, Richard Willstätter, Johannes Stark, Max von Laue, wszyscy oprócz wdowca Willstättera z żonami; trudno o bardziej wymowny przykład potęgi niemieckiej nauki w tamtym okresie)

Chcąc dopomóc krajowi, zaczął pracować nad wydobyciem złota z wody morskiej. Svante Arrhenius ocenił kiedyś zawartość złota na  6 mg w tonie wody morskiej. Gdyby znaleźć metodę na opłacalny proces wydobycia złota, Niemcy mogłyby myśleć o spłaceniu gigantycznych reparacji, jakie narzucił im Traktat Wersalski. Prace te nie prowadziły jednak donikąd, okazało się, że Arrhenius przecenił zawartość złota. Pomiary dawały zaledwie 0,01 mg w tonie wody. Żadną miarą nie można było tego wykorzystać. Okazało się, że przy tak małych ilościach trudno ustrzec się kontaminacji próbek złotem, np. z obrączki laboranta albo innego źródła tego rodzaju. Chemia nie mogła więc zbawić Niemców.

Nadal pracował naukowo, choć raczej jako organizator albo wścibski szef, który potrafił godzinami trzymać młodych pracowników w laboratorium, drążąc kolejne tematy, był bowiem niezwykle wszechstronny i znał się rzeczywiście na wszystkim. Instytut był jego całym życiem.

Dojście Hitlera do władzy było zapewne najgorszym koszmarem, jaki mógł sobie wyobrazić człowiek pokroju Habera. Choć mógłby zostać na stanowisku jako zasłużony podczas wojny, musiałby zwolnić wszystkich „niearyjskich” pracowników (mniej więcej jedną czwartą). Złożył rezygnację. Max Planck, który bez najmniejszej walki pozwolił usunąć Einsteina z Akademii Nauk, teraz usiłował zmienić decyzję władz. Zapewne sądził, że Haber ma zbyt duże zasługi dla Niemiec, a poza tym jego Instytut może się przydać w przyszłości. Rozmowy z „ministrem kultury” Wilhelmem Rustem, a nawet z samym Hitlerem, nic nie dały, oprócz ataku furii Führera, który wolał wcale nie mieć uczonych, niż mieć uczonych żydowskich. Haber wyjechał z Niemiec, ale wciąż bił się z myślami, czy wrócić i ratować jakąś część majątku (nie chodziło tylko o niego, lecz i o dzieci), czuł się coraz gorzej fizycznie i psychicznie. Nie wyobrażał sobie życia poza Niemcami. Zmarł na atak serca w przeddzień pierwszej rocznicy objęciu urzędu kanclerza przez Adolfa Hitlera.

Poniżej współczesne zdjęcia Instytutu Habera wykonane przez p. Macieja Drawsa w lipcu 2018 w Berlinie-Dahlem.

 

Po II wojnie światowej Keiser-Wilhelm-Gesellschaft i odpowiednie instytuty nazwane zostały imieniem Maksa Plancka.

 

Powstawanie kontynentów i oceanów (1922) – Alfred Wegener

Książka została napisana w okresie rekonwalescencji autora, dwukrotnie rannego na froncie zachodnim zaraz na początku wojny światowej (wrócił później do służby jako meteorolog). Ukazała się po raz pierwszy w roku 1915 nakładem wydawnictwa Vieweg & Sohn. Kolejne trzy wydania ukazały się już po wojnie. Z początkowych niecałych stu stron książka rozrosła się do ponad dwustu w czwartym wydaniu. Najważniesze historycznie okazało się wydanie trzecie z roku 1922, które stało się podstawą przekładów m.in. na angielski, francuski, hiszpański i rosyjski, wywołując ożywioną dyskusję nie tylko w kręgach naukowych.

Wysunięta przez Wegenera teoria dryfu kontynentów, przyjęta zrazu ze sceptycyzmem, niedowierzaniem, a nawet szyderstwem, w okresie międzywojennym zyskała niewielu zwolenników. Idee przesuwania się kontynentów wróciły triumfalnie dopiero w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku jako teoria płyt tektonicznych, która zrewolucjonizowała nauki o Ziemi.

Alfred Lothar Wegener z wykształcenia był astronomem, lecz po doktoracie dotyczącym Tablic Alfonsyńskich w roku 1905 postanowił zająć się meteorologią. Zapalony wędrowiec, alpinista i narciarz szukał dziedziny mniej obciążonej tradycją, dającej ponadto możliwość pracy w terenie, a nawet przygody. Wraz ze starszym bratem Kurtem ustanowił w roku 1906 światowy rekord czasu lotu balonem (52,5 godziny). W tym samym roku wyruszył na Grenlandię jako meteorolog duńskiej wyprawy. Spędził tam dwie zimy, tworząc pierwszą stację meteorologiczną i dokonując pomiarów atmosfery przy użyciu latawców oraz balonów. Po powrocie pracował na uniwersytecie w Marburgu, opracowywał wyniki obserwacji polarnych, napisał także podręcznik Termodynamika atmosfery (1911). Przygotowując go, Wegener zwrócił się o opinię do uznanego specjalisty profesora Wladimira Köppena z Hamburga, który przychylnie przyjął rękopis młodszego kolegi. Wegener poznał też córkę profesora Else i niebawem się z nią zaręczył. Na następną wyprawę na Grenlandię wyruszył w 1912 roku, Else spędziła ten czas w domu norweskiego meteorologa Vihelma Bjerknesa, ucząc jego dzieci niemieckiego, a sama ucząc się norweskiego oraz duńskiego (przełożyła potem na niemiecki dwie prace Bjerknesa). Latem 1913 roku wyprawa z udziałem Wegenera przebyła drogę w poprzek Grenlandii mniej na szerokości geograficznej 75°. Tego samego roku młody polarnik i Else wzięli ślub. Po wojnie światowej Wegener objął po przejściu teścia na emeryturę jego stanowisko w Morskim Obserwatorium Meteorologicznym w Hamburgu, przeniósł także swoje prawo nauczania na tamtejszy nowopowstały uniwersytet. We współpracy z Köppenem napisał książkę na temat paleoklimatologii, w której rozwinięte zostały pewne argumenty na rzecz dryftu kontynentalnego. Napisał też książkę na temat kraterów księżycowych, uznając je – zgodnie z prawdą, a wbrew ówczesnym poglądom – za skutek impaktów meteorytów. Mimo ożywionej aktywności Wegenerowi nie udawało się uzyskać katedry uniwersyteckiej, można przypuszczać, że pewną rolę odgrywała tu niechęć wobec jego śmiałych teorii. W 1924 roku został profesorem na katedrze meteorologii i geofizyki w prowincjonalnym Grazu w Austrii (stanowisko stworzono specjalnie dla niego, łącząc obie dziedziny, którymi się zajmował). Wegenerowie przeprowadzili się tam wraz ze swymi trzema córkami i teściem. Jak wspominała Else: „W pięknym Grazu niemal całkiem zatopiliśmy się w mieszczańskiej stabilizacji”. Wegener pracował naukowo, wszyscy troje odbywali liczne wycieczki, regularnie jeździli na narty w Alpy, wojna i ciężkie przejścia w Grenlandii wydawały się daleko poza nimi. Jednak w roku 1929 Alfred Wegener nie umiał się oprzeć okazji ponownej wyprawy na Grenlandię. Zmarł tam niespodziewanie w listopadzie 1930 roku, prawdopodobnie na atak serca z nadmiernego wysiłku, niedługo po swoich pięćdziesiątych urodzinach.

Alfred Wegener i jego towarzysz Rasmus Villumsen na kilka dni przed śmiercią (obaj zginęli w drodze między obozem w głębi Grenlandii a wybrzeżem)

Idea ruchu kontynentów przyszła Wegenerowi po raz pierwszy do głowy w roku 1910, gdy zwrócił uwagę na przystawanie linii brzegowych Ameryki Południowej i Afryki na mapie. Nie był pierwszym, który zauważył owo dopasowanie – jednak nauka instytucjonalna nauczyła się ten fakt ignorować. W roku 1911 Wegener zetknął się po raz pierwszy z danymi geologicznymi i paleontologicznymi, które wskazywały na podobieństwo obu kontynentów. Fakty te znane były specjalistom, interpretowano je jako świadectwo istnienia niegdyś pomostów lądowych między Afryką i Ameryką, uznając za pewnik, że kontynenty te zawsze były położone tak jak dziś (nieco słabsza wersja tego poglądu zakładała istnienie łańcucha wysp łączących oba kontynenty). Wegener postanowił zakwestionować ten pewnik i sprawdzić, czy koncepcja przesuwania się kontynentów może się obronić. W styczniu 1912 roku po raz pierwszy przedstawił swe pomysły publicznie na zjeździe Towarzystwa Geologicznego we Frankfurcie, a trzy lata później rozwinął je w książce. Jak się zdaje, koncepcja pomostów lądowych od początku nie trafiała mu do przekonania. Podstawowym jego argumentem była tu izostazja, obserwowane przez geologów dążenie do równowagi hydrostatycznej. Wiadomo było np., że lądy podnosiły się po ustąpieniu zlodowacenia. Góry mają niższy ciężar właściwy niż dno oceanów. Jeśli tak, to zbudowane z lżejszego materiału pomosty lądowe nie mogły zatonąć w gęstszym podłożu, gdyż przeczyłoby to prawu Archimedesa. Wegener zaczął na kontynenty patrzeć jak na dobrze mu znaną z Arktyki pokrywę lodową: tworzy ona względnie trwałe pływające struktury, które mogą łączyć się albo pękać na mniejsze części, przy czym większa część ich objętości zanurzona jest w wodzie. Podobne zjawiska – oczywiście w nieporównanie większej skali czasowej – mogły zachodzić w przypadku kontynentów na Ziemi.

Przyrodnik zwracał uwagę, że większą część powierzchni Ziemi stanowią albo głębie oceaniczne, albo niezby wysokie lądy.

(Ryc. 4 z Entstehung der Kontinente und Ozeane, 1922, s. 27)

Rozkład wysokości dla całej powierzchni Ziemi ma dwa wyraźne maksima, odpowiadające lądom oraz dnu oceanów. Przeczy to zdaniem Wegenera panującej w tym okresie teorii Eduarda Suessa kurczenia się (kontrakcji) Ziemi. Wyobrażano sobie, iż Ziemia stygnie z fazy ciekłej i stale się w związku z tym kurczy. Wywoływałoby to na jej powierzchni efekt podobny do marszczenia się skórki na wysychającym jabłku. Owo „marszczenie się” zewnętrznych warstw skorupy ziemskiej objawiać się miało m.in. fałdowaniem i wypiętrzaniem gór. Ponieważ kurczenie zachodzi stopniowo, więc w różnych jego fazach ta sama część powierzchni mogła znajdować się nad albo pod powierzchnią morza. Odkrycie pierwiastków promieniotwórczych, które stale wydzielają ciepło, stawiało teorię kontrakcji pod znakiem zapytania. W dodatku skały osadowe znajdowane na kontynentach wskazują na to, że tereny te mogły się znajdować jedynie płytko pod powierzchnią morza, nie stanowiły więc nigdy dna oceanicznego. Wegener sądził także, że gdyby to kurczenie się Ziemi odpowiadało za rzeźbę jej powierzchni, rozkład wysokości powinien mieć jedno tylko maksimum, takie jak przerywana linia na rycinie powyżej.

(Ryc. 4 z Entstehung der Kontinente und Ozeane, 1922, s. 35; dziś wiemy, że dno oceanów także należy do litosfery, która jednak jest tam znacznie cieńsza niż pod kontynentami)

Jego zdaniem lżejsza masa kontynentu, sial (od zawartości krzemu i aluminium: Si-Al) pływa w cięższej simie (od zawartości krzemu i magnezu: Si-Ma), która ma pewne cechy cieczy, przynajmniej w długiej skali czasowej. Toteż poziome przemieszczanie się kontynentów przypominałoby pływanie kier lodowych w morzu. Według oszacowania Wegenera grubość kontynentów (oznaczona M na rycinie) była rzędu 100 km (rycina jest schematyczna i nie oddaje prawidłowo skali).

Mapy Wegenera (Entstehung der Kontinente und Ozeane, 1929, s. 19, 20)

Teoria dryftu kontynentów nie tylko tłumaczyła dopasowanie kształtów różnych lądów, ale także w naturalny sposób objaśniała podobieństwa geologiczne: góry po jednej stronie Atlantyku znajdowały swe naturalne przedłużenie po drugiej jego stronie. Podobieństwa zachodziły także między kopalnymi gatunkami roślin i zwierząt z części świata oddzielonych barierą oceanu. Bez pomostów lądowych trudno było zrozumieć, w jaki sposób te same gatunki mogły wyewoluować w sposób niezależny od siebie.

(J.S. Monroe, S. Wicander, The Changing Earth, 4th edition, s. 33)

Wegener przyjął, że w erze paleozoicznej wszystkie kontynenty stanowiły jeden ląd, nazwany Pangea, który następnie popękał na oddzielne fragmenty, odsuwające się stopniowo od siebie. Jedna z krawędzi Pangei znajdowała się blisko bieguna południowego – gdyż kontynenty przesuwały się nie tylko względem siebie, ale także w stosunku do osi obrotu Ziemi. Dzięki temu można było wyjaśnić geologiczne ślady zlodowaceń paleozoicznych w miejscach położonych obecnie tak daleko od siebie, jak Argentyna, Afryka Południowa, Indie i Australia – wszystkie te lądy znajdowały się kiedyś blisko siebie, a także blisko bieguna ziemskiego.

Dane Wegenera wg współczesnego podręcznika (W. Frisch et al., Plate Tectonics, Springer 2011, s. 3)

Ciągłość pasm górskich oraz zlodowacenia i lasy karbońskie (E.J. Tarbuk, F.K. Lutgens, D. Tasa, Earth: An Introduction to Physical Geology, 11th edition, s. 46,47)

W oczach większości geologów hipoteza Wegenera zakrawała na szaleństwo. Jak zauważył jeden z geologów, przeciwnik dryftu: gdyby to była prawda, to należałoby napisać na nowo podręczniki z ostatnich trzydziestu lat – rzeczywiście, trzeba było to w końcu zrobić. Podobnie reagowali wykształceni ludzie XVI wieku, słysząc o koncepcji Kopernika. Obie teorie usuwały niejako metafizyczny grunt pod nogami, głosząc zmienność i ruch tam, gdzie pragnęlibyśmy stabilności i niezmienności. Obie brały początek ze stosunkowo prostego i nienowego pomysłu, który był po wielokroć odrzucany jako absurdalny. Sformułowane zostały dzięki innemu spojrzeniu na znane fakty, a nie dzięki jakimś nowym, nieznanym dotąd obserwacjom. Obie teorie przekraczały także granice między różnymi naukami. Kopernik „niedopuszczalnie” mieszał astronomię i fizykę. W sprofesjonalizowanym i wyspecjalizowanym dwudziestym wieku czyniono zarzut z tego, że teorię wysunął nie geolog, który strawił lata na badaniach terenowych, lecz autsajder: astronom zajmujący się głównie meteorologią. Warmia Kopernika i Marburg oraz Graz Wegenera, leżąc na uboczu, ułatwiały niezależne myślenie, wolne od presji poglądów środowiska. Obaj autorzy zdawali sobie do pewnego stopnia sprawę z kontrowersyjnosci swoich hipotez, choć żaden z nich nie spodziewał się chyba aż tak zażartego oporu. Oczywiście, każdy rewolucyjny pogląd rodzi nowe trudności i niełatwo z góry przesądzić, czy ostanie się wobec zarzutów. Obie teorie wykazywały też dość podobny brak: nie zawierały bowiem konkretnego mechanizmu, który tłumaczyłby zakładane ruchy. Mechanika arystotelesowska z trudem dawała się pogodzić z heliocentryzmem, w przypadku Wegenera trudność była może jeszcze większa, gdyż potrzebne prawa fizyki były wprawdzie znane, lecz nie było jasne, w jaki sposób miałyby z nich wynikać przemieszczenia kontynentów. Świadom tej trudności, uczony zaproponował dwa mechanizmy, choć podkreślał także, że jest zbyt wcześnie na tego rodzaju szczegóły. Mówił o sile odśrodkowej, która wywołać miała ucieczkę od biegunów – Polflucht, a także o siłach przypływowych Księżyca i Słońca, które wywołać miały przesuwanie kontynentów ku zachodowi. Wyjaśnienia te zostały bardzo ostro skrytykowane przez ekspertów.
Niektóre argumenty Wegenera były błędne, co nie powinno nas szczególnie dziwić w przypadku pracy tak pionierskiej (podobnie było z większoscią szczegółowych poglądów Kopernika oprócz samego heliocentryzmu). Stosunkowo największym błędem było bardzo późne oddzielenie się Grenlandii, która zdaniem Wegenera przesuwać się miała z szybkością rzędu 30 m rocznie. Wegener nadmiernie zawierzył pomiarom astronomicznym długości geograficznej, które nie miały dostatecznej dokładności. Dziś szybkości przesuwania się płyt tektonicznych można mierzyć bezpośrednio za pomocą systemu GPS i wiadomo, że są one rzędu kilku cm rocznie.

W latach dwudziestych ubiegłego wieku krytykowano jednak nie tylko słabe punkty teorii Wegenera, ale także i jej mocne strony. Wysuwano np. twierdzenie (H.S. Washington, 1923), że skały po obu stronach Atlantyku nie wykazują podobieństw. Nie zgadzał się z tym poglądem A.L. Du Toit, wybitny południowoafrykański geolog, który specjalnie w tym celu udał się do Ameryki Południowej i stwierdził, że podobieństwa geologiczne „są wręcz zdumiewające”. Du Toit stał się zwolennikiem teorii Wegenera. Szczególnie niechętne przyjęcie spotkało teorię Wegenera w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii, a więc w krajach w geologii przodujących. Przewodniczący Londyńskiego Towarzystwa Geologicznego J.W. Gregory stwierdził, że jeśli izostazja sprzeczna jest z zanurzaniem się dna oceanów, to tym gorzej dla izostazji. Zgadzał się z tym zdaniem także Harold Jeffreys, wybitny geofizyk, który na podstawie danych sejsmicznych wierzył w częściowo płynne jądro Ziemi, sądził jednak, że zewnętrzne jej warstwy są sztywne. Naomi Oreskes upatruje źródeł reakcji amerykańskich geologów na teorię Wegenera w ich niechęci do ogólnych, zbyt spekulatywnych teorii. Niewątpliwie pewna dyscyplina myślowa jest w naukach empirycznych niezbędna, nie należy budować pochopnych uogólnień i uczeni zdobywają pozycję w swoim cechu na podstawie rzeczowych i beznamiętnych obserwacji. Jednak żaden podręcznik metodologii nie nauczy nas, które uogólnienia są „pochopne”, a które – „śmiałe i nowatorskie”. Niemal zawsze prace rewolucyjne przekraczają granice uznanych dziedzin i dopuszczalnych metod. Idee Wegenera podjął Arthur Holmes, twórca datowania radiometrycznego, był w tym jednak niemal całkowicie odosobniony. Przypuszczał on, że ciepło wydzielane przez pierwiastki promieniotwórcze może przenosić się za pomocą prądów konwekcyjnych w płaszczu Ziemi. Prądy takie odpowiedzialne byłyby za przesuwanie kontynentów.

Przesuwanie się kontynentów wróciło do łask w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku dzięki wielu nowym obserwacjom i metodom. Postęp osiągnięty został przede wszystkim dzięki badaniom dna oceanów. Dopiero po drugiej wojnie światowej można było zastosować echosondy do precyzyjnego zbadania topografii dna morskiego. Dzięki badaniom magnetyzmu występujących tam skał można było stwierdzić, że podmorski Grzbiet Śródatlantycki jest strefą spredingu – miejscem, gdzie na powierzchnię wydobywa się nowy materiał z wnętrza Ziemi i tworzą płyty tektoniczne. Kontynenty są częścią płyt tektonicznych, nie torują sobie drogi w płynnym podłożu, lecz raczej są przesuwane wraz z całością płyty, do której należą (symetryczne zjawisko niszczenia płyt następuje w obszarach subdukcji, gdzie jedna płyta wsuwa się pod drugą). W marcu 1964 roku Towarzystwo Królewskie w Londynie zorganizowało konferencję poświęconą przesuwaniu się kontynentów. Zaprezentowano na niej pracę przedstawiającą komputerowe dopasowanie kształtu kontynentów po obu stronach Atlantyku (E. Bullard, J.E. Everett, A.G. Smith, The fit of the continents around the Atlantic, Phil. Trans. Roy. Soc. London A, 258: 41-51).

Okazało się ostatecznie, że Wegener miał rację: średni kwadratowy błąd dopasowania jest rzędu 50 km (co ciekawe, w latach dwudziestych jeden z geologów sporządził model, z którego wynikało, że takiego dopasowania wcale nie ma i luki między kontynentami sięgają 1200 km!). Płyty kontynentalne zachowują się jak sztywne dwuwymiarowe obiekty przesuwające się po powierzchni Ziemi. Oznacza to, że mają one krzywiznę Ziemi i ich ruchy są obrotami – zgodnie z twierdzeniem Eulera, mówiącym, iż dowolne złożenie obrotów przedstawić można jako obrót wokół pewnej ustalonej osi o pewien kąt. Swoistą ironią losu jest fakt, że trwają wciąż dyskusje na temat sił wywołujących przesuwanie się płyt tektonicznych, prądy konwekcyjne rozpatrywane przez Holmesa są raczej skutkiem niż przyczyną tych ruchów. Najczęściej uważa się, że dominuje jakiś mechanizm grawitacyjny.

Jedna ze współczesnych rekonstrukcji Pangei (za: A. Schettino, Quantitative Plate Tectonics, Springer 2015, s. 60)

 

François Arago i prędkość światła (1810)

W roku 1809 dwudziestotrzyletni Arago został przyjęty do Akademii Nauk (przejściowo zwanej Instytutem Francji, uczeni należeli do jego pierwszego wydziału). Młody człowiek zdążył już przepracować kilka lat w Obserwatorium Paryskim i wziąć udział w trzyletniej podróży naukowej, której celem był dokładniejszy pomiar długości południka – czyli obwodu Ziemi. Rewolucja Francuska oprócz zmian politycznych przyniosła też system dziesiętny, nawet w kalendarzu: należało pracować dziewięć dni, by wypoczywać w dziesiątym, a kąt pełny miał mieć odtąd 400°, a nie 360°. Planowano też wprowadzić podział doby na dziesięć godzin po sto minut, lecz zapał rewolucyjny minął zbyt szybko. Zdążono natomiast wprowadzić jako jednostkę długości metr, równy jednej czterdziestomilionowej długości południka paryskiego. Pomiar południka oznaczał zatem dokładniejsze wyznaczenie metra. Ponieważ czasie pomiarów wojska francuskie dokonały inwazji Hiszpanii, więc ludność Balearów, widząc, jak Arago każe rozpalać ogniska na szczytach gór i w ogóle zachowuje się podejrzanie, uznała go za szpiega. Uwięziony w fortecy Bellver w Palma de Mallorca, zdołał z niej zbiec w łódce rybackiej, zabierając wyniki pomiarów, a nawet przyrządy geodezyjne. Trafił do Algieru, skąd popłynął do Marsylii, lecz niedaleko celu podróży hiszpańscy korsarze napadli na statek, co spowodowało dalsze uwięzienie, tym razem na wybrzeżu Katalonii, skąd trafił znowu do Algieru, w następnej przeprawie do Marsylii przeszkodziły wiatry północne. Wreszcie po kolejnych kilku miesiącach uczony dotarł tam wreszcie i musiał odbyć jeszcze długą kwarantannę w lazarecie. Mógł jednak zawiadomić bliskich, że żyje, w co nikt już nie wierzył. Otrzymał też niebawem list od poruszonego tymi przygodami sławnego przyrodnika Alexandra von Humboldta. Tak zaczęła się ich przyjaźń (choć starszy i homoseksualny Humboldt miał ochotę na coś więcej).

Niewątpliwie młody człowiek wykazał, że ma głowę na karku, choć można się zastanawiać, czy to wystarczy, by zostać członkiem Instytutu. Przeciwny kandydaturze Arago był wielce wpływowy Pierre Simon Laplace, który miał własnego kandydata, nieco starszego Siméona Poissona (tego od równania Poissona). Laplace wysuwał argument, że Arago niczego wielkiego jeszcze nie dokonał i jest za wcześnie, by go przyjmować do tego elitarnego grona. Odpowiedział mu podobno Joseph Lagrange, jedyna osoba, która mogła z Laplace’em mówić jak równy z równym: „Pan także, Laplace, przed wejściem do Akademii nie dokonał niczego godnego uwagi, można było jedynie pokładać w panu nadzieję. Pańskie wielkie odkrycia przyszły dopiero później” [Arago, Oeuvres complètes, t. 1, Histoire de ma jeunesse] Rzeczywiście, Laplace przyjęty został w wieku dwudziestu czterech lat, będąc dopiero u progu ważnych odkryć z mechaniki niebios. To odwieczny dylemat: czy stabilizacja finansowa powinna ułatwiać osiągnięcia, czy być za nie nagrodą. Francja miała silny państwowy system popierania nauki, który w tamtych czasach funkcjonował znakomicie, wystarczy popatrzeć na nazwiska członków Akademii z początku XIX wieku. Cesarz Napoleon I był autokratą, ale nie był idiotą i zatwierdził nominację Arago, zaprzysięgłego republikanina, a pod koniec życia chronił go przed represjami także następny cesarz, Napoleon III. Arago był przez wiele lat deputowanym do parlamentu, gdzie zajmował się popieraniem nowych wynalazków w rodzaju kolei żelaznych czy fotografii.

W grudniu 1810 roku jako świeżo upieczony członek Instytutu Arago przedstawił pracę poświęconą prędkości światła. Przyjmował w niej założenie, że światło ma naturę cząstkową. Francuz czytał pracę Michella i znał jego przewidywania, że prędkość światła emitowanego przez masywne gwiazdy może być znacznie mniejsza niż obserwowana w pobliżu Ziemi. Także Laplace przeprowadził podobne rachunki, wyszło mu, że ciało gęstości Słońca stałoby się ciemną gwiazdą, gdyby jego promień przekraczał 250 promieni Słońca. Prawdopodobnie także on zasugerował astronomowi sprawdzenie, czy różnice prędkości światła odbijają się jakoś na zjawisku aberracji światła gwiazd. Maksymalny kąt aberracji równy jest v/c, gdzie v – jest prędkością orbitalną Ziemi, a c – prędkością światła. Kąt ten jest mały i równy mniej więcej 10^{-4} \mbox{ rd} \approx 20'' , jak odkrył na początku XVIII w. James Bradley. Jeśli światło gwiazd dociera do nas z różną prędkością, to kąty aberracji powinny się indywidualnie różnić w zależności od gwiazdy. Efekty te powinny także zależeć od kierunku ruchu Ziemi, a więc zmieniać się w rytmie rocznym. Ponieważ najmniejsze kąty możliwe do zmierzenia były rzędu kilku sekund, więc tą drogą można by wykryć tylko bardzo znaczne zmiany prędkości światła.

Bardziej obiecujące wydawało się zjawisko załamania światła, którego wielkość także zależy od prędkości promieni w próżni. Światło różnych gwiazd powinno się więc załamywać w różnym stopniu. Arago starał się wykryć te różnice, umieszczając przed obiektywem teleskopu pryzmat. Aby obrazy gwiazd nie rozmyły się wskutek rozszczepienia światła w pryzmacie, używał dwóch sklejonych ze sobą pryzmatów ze szkła ołowiowego i zwykłego, które tworzyły układ achromatyczny – odchylający światło (w przybliżeniu) niezależnie od jego barwy. Astronom mierzył różnicę kąta między promieniem światła przepuszczonym obok pryzmatu i załamanym przez pryzmat dla szeregu gwiazd. Kąty odchylenia promienia były jednak praktycznie takie same, różniąc się najwyżej o kilka sekund, najwyraźniej w sposób przypadkowy – należało zatem przypisać je błędom pomiaru. Według obliczeń Arago zmiana prędkości światła o 1/10000 powinna skutkować różnicą kierunku promienia nawet o 14’’ – a więc znacznie więcej niż jego błędy pomiarowe. Ponieważ Ziemia porusza się z prędkością 1/10000 prędkości światła, więc obserwacje Arago powinny być wrażliwe na kąt między kierunkiem prędkości Ziemi a kierunkiem ku gwieździe. Żadnej tego typu zależności nie udało mu się wykryć. Jak napisał w swoim wystąpieniu przed Instytutem: „Na pierwszy rzut oka wynik ten wydaje się być w jawnej sprzeczności z Newtonowską teorią załamania [światła], ponieważ rzeczywiste nierówności między prędkościami promieni nie wywołują żadnych nierówności w ich odchyleniu”. Jeśli wierzyć Popperowi, teoria Newtona została tym samym obalona: jeśli z teorii wynika wniosek niezgodny z obserwacjami, to tym samym założenia teorii są nieprawdziwe. Obserwacje Arago były kłopotliwe, zwłaszcza dla ludzi takich, jak Laplace czy patronujący młodemu astronomowi Jean Baptiste Biot – zaprzysięgłych zwolenników teorii korpuskularnej światła. Obaj uczeni nie dali się przekonać nie tylko wynikom Arago, ale także i falowej teorii światła.

Arago zaproponował dziwaczne i dość desperackie wyjście z sytuacji: może promienie świetlne różnią się prędkościami, ale oko ludzkie reaguje tylko na wąski przedział prędkości. Wiedziano już od niedawna, że istnieje promieniowanie podczerwone, które przenosi ciepło, a także nadfioletowe, które zaczernia chlorek srebra (ten ostatni fakt otworzył drogę do wynalezienia fotografii). Może więc to prędkość decyduje o tym, czy widzimy dane cząstki światła, czy nie. Praca Arago nie została opublikowana, uczony poprzestał na jej odczytaniu. Można przypuszczać, że astronom sam nie wiedział, jak wytłumaczyć uzyskane wyniki. Choć na jego rezultaty powoływali się inni uczeni, to praca ukazała się drukiem dopiero czterdzieści lat później.

Wtedy kontekst był już inny. Pojawił się bowiem w nauce francuskiej Augustin Fresnel i jego wersja teorii falowej (wcześniejsza teoria falowa Thomasa Younga we Francji zrobiła jeszcze mniejsze wrażenie niż w Anglii). Arago należał do wczesnych zwolenników teorii falowej. Nic jednak nie jest proste na tym świecie: także w teorii falowej wyjaśnienie obserwacji Arago nie było zbyt naturalne: trzeba założyć, że eter świetlny jest wleczony, ale tylko częściowo, przez poruszający się ośrodek. Dopiero teoria względności wyjaśniła w roku 1905 rezultaty Arago w sposób naturalny: prędkość światła padającego na pryzmat z próżni równa jest zawsze c, bez względu na ruch pryzmatu, gwiazdy i Ziemi. Arago nie wykrył zmian odchylenia, bo ich po prostu nie ma.