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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Łatwo teraz pokazać (co robimy na końcu), że

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

nie zmieniało lagranżianu:

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

Twierdzenie Noether głosi, że wielkość A określona równaniem

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

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

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

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

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

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

Jest to oczywiście pęd całkowity.

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

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

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

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

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

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

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

(*) Łatwo uzyskać można wyrażenie dla wariacji działania.

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

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

Całkując drugi wyraz przez części, otrzymujemy następującą postać wariacji;

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

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

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

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

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

Reklamy

Emmy Noether i jej twierdzenie, część I (1918)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Henrietta Swan Leavitt i pulsowanie gwiazd (1908-1912)

Nauka wywodzi się z faktów, ale samo ich zbieranie to jeszcze nie nauka. Oczywiście, doświadczenia czy obserwacje, jeśli są rzetelne, mogą zawsze się przydać. Na miano odkrycia zasługują jednak tylko wówczas, gdy ujawnią coś istotnie nowego: obiekt inny niż dotychczas znane, nowe zjawisko albo nieoczekiwaną prawidłowość. Henrietta Swan Leavitt badała pewną klasę gwiazd zmieniających okresowo jasność. Odkryła, że im jaśniejsza gwiazda, tym dłuższy jest jej okres. Oznaczało to, że mierząc okres, możemy znaleźć jasność absolutną gwiazdy, tzn. obliczyć, jak jasna byłaby ona, gdyby obserwować ją z pewnej ustalonej odległości. Znając więc obserwowaną jasność gwiazdy, można byłoby obliczyć jej odległość. Astronomowie widzą jedynie, z jakiego kierunku przybywa światło, wyznaczenie odległości do różnych ciał niebieskich było zawsze zadaniem bardzo trudnym i zarazem fundamentalnym. Odkrycie Leavitt wykorzystano później do zbadania kształtu Galaktyki i wyznaczenia odległości do innych galaktyk. Była to zatem nie tylko nieoczekiwana prawidłowość, ale i niezastąpione narzędzie dla innych astronomów.

Leavitt pochodziła z rodziny pastorów, jej przodek, John Leavitt, był diakonem swego kościoła i krawcem, który osiadł w Massachusetts. Purytanie szukający dla siebie nowego kraju byli ludźmi przedsiębiorczymi, zdyscyplinowanymi, wytrwałymi, kochającymi wolność i religijnymi. Połączenie tych wszystkich cech nadało Ameryce swoiste piętno, odczuwane do dziś. Surowi i niepobłażający własnym słabościom, sami wybierali sobie pasterzy, tworząc kongregacje silnie ze sobą związane, do których niełatwo było przeniknąć. Gdy chciało się zostać członkiem kościoła, przez lata trzeba było przechodzić próbę charakteru i zachowania. Ich zasady religijne nakazywały, aby każda władza, kościelna bądź świecka, była ograniczona do niezbędnego minimum. Jeśli dodamy do tego wysoki poziom edukacji (już w XVII wieku koloniści w Ameryce osiągnęli poziom alfabetyzacji porównywalny albo wyższy niż w przedwojennej Polsce) i szacunek dla uważnej pracy (w dni powszednie należy stale robić coś pożytecznego, w niedziele modlić się i myśleć o Bogu, nie oddawać się próżnym rozrywkom), to jasne jest, że społeczeństwo takie musiało odnieść sukces ekonomiczny. Ojciec Leavitt był pastorem kongregacji z Plymouth pełniącym posługę w Cleveland. Córka uczyła się tam przez rok w konserwatorium, lecz zaczęła stopniowo tracić słuch, aż w końcu zupełnie ogłuchła. Studiowała potem w koedukacyjnym Oberlin College i następnie w Cambridge (Massachusetts) w żeńskim kolegium, przekształconym później w Radcliffe College. Leavitt zdobyła wszechstronne wykształcenie: od języków starożytnych aż do rachunku różniczkowego i całkowego. Uczyła się też astronomii, lecz nigdy nie zdobyła dyplomu z tej dziedziny.

leavitt_aavso

Nigdy nie była też zatrudniona jako samodzielna badaczka, pracowała jako skromny pracownik techniczny Harvard College Observatory. Jego dyrektor, Edward Pickering, zaczął szeroko stosować fotografię do badania widm oraz jasności gwiazd. Szybko gromadziły się tysiące szklanych płyt fotograficznych, które należało poddać bliższym badaniom. Niezadowolony z asystentów, Pickering stwierdził, że ich pracę lepiej by wykonała jego służąca i rzeczywiście zatrudnił swoją służącą, Willaminę Fleming. Z czasem pod jej kierunkiem zgromadził się cały zespół kobiet, zwanych rachmistrzyniami (computers) albo mniej elegancko „haremem Pickeringa”. Wykształcone kobiety nie miały zbyt wiele możliwości pracy, toteż chętnie pracowały w obserwatorium.

pickerings_harem

(Leavitt trzecia z lewej)

Specjalnością Leavitt były gwiazdy zmienne, potrafiła wyłowić je, porównując płyty fotograficzne naświetlone w różnym czasie. Była to praca żmudna i wymagająca wielkiej koncentracji. Swoistym dowodem uznania ze strony dyrektora była jej stawka godzinowa: 30 centów zamiast 25 płaconych koleżankom (sam zarabiał około 2 dolarów za godzinę). W roku 1908 w „Annals of Harvard College Observatory” Leavitt ogłosiła odkrycie 1777 gwiazd zmiennych w dwóch Obłokach Magellana. Samych Obłoków, będących satelitami naszej galaktyki, Leavitt nigdy nie widziała, opracowywała tylko fotografie zrobione w filii obserwatorium na półkuli południowej. Praca naukowa zaczęła więc przypominać taśmową produkcję w zakładach samochodowych Henry’ego Forda. Leavitt zauważyła, że wśród gwiazd zmiennych okresowych występuje zależność średniej jasności i okresu. Ponieważ należało przypuszczać, iż gwiazdy w Obłokach Magellana znajdują się praktycznie w tej samej odległości od Słońca, znaczyło to, że ich jasności absolutne także skorelowane są z okresem.

lea

Na osi pionowej mamy wielkość gwiazdową (proporcjonalną do ujemnego logarytmu z jasności), na poziomej okres, a z prawej jego logarytm. Dwie linie odpowiadają maksymalnej i minimalnej jasności obserwowanej. Dane dotyczą gwiazd z Małego Obłoku Magellana. Praca ta, z roku 1912, podpisana była przez Pickeringa, który stwierdzał jednak na wstępie, że komunikat „przygotowany został przez pannę Leavitt”. Tak wyglądało cywilizowane traktowanie kobiet sto lat temu.

Czemu niektóre gwiazdy zmieniają okresowo jasność? Zazwyczaj gwiazdy są stabilne, to znaczy ciśnienie głębszych warstw utrzymuje ciężar warstw bardziej zewnętrznych (podobnie ciśnienie w atmosferze ziemskiej maleje z wysokością). Czasem zdarza się jednak, że zamiast stanu równowagi pojawiają się oscylacje: gwiazda okresowo powiększa się i kurczy. Związane to jest z nieprzezroczystością materii gwiazdy. Gdy rośnie temperatura, więcej atomów ulega jonizacji, przez co materia staje się nieprzezroczysta (mieszanina dodatnich i ujemnych ładunków silnie pochłania fale elektromagnetyczne, podczas gdy zwykły gaz złożony z atomów jest przezroczysty, jak powietrze). Jeśli więc wytworzy się na pewnej głębokości taka nieprzezroczysta warstwa, energia cieplna będzie się gromadzić, a w konsekwencji wzrośnie ciśnienie i wypchnie tę warstwę na zewnątrz. Jednak rozszerzaniu towarzyszy zmniejszanie się temperatury i nasza warstwa w stanie ekspansji przepuszcza więcej energii na zewnątrz, co z kolei zmniejsza ciśnienie i wywołuje kurczenie się i wzrost nieprzezroczystości.

Dlaczego jasność i okres są powiązane? Pomijając szczegóły, można powiedzieć, że jasność L pulsującej gwiazdy jest proporcjonalna do pola jej powierzchni, a więc kwadratu promienia R: L\sim R^2. Okres pulsacji powinien wiązać się z promieniem gwiazdy oraz przyspieszeniem grawitacyjnym g na jej powierzchni (przyspieszenie grawitacyjne wewnątrz gwiazdy stanowi jakiś ułamek g). Z wielkości tych możemy utworzyć tylko jedną kombinację dającą czas (por. wzór na okres wahadła):

T\sim\sqrt{\dfrac{R}{g}}.

Ponieważ przyspieszenie grawitacyjne można zapisać jako

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

gdzie G jest stałą grawitacyjną, a M masą, więc łącząc te wyrażenia, otrzymamy

T\sim R^{\frac{3}{2}}M^{-\frac{1}{2}}\sim L^{\frac{3}{4}}M^{-\frac{1}{2}}.

Obserwowana zależność to T\sim L^{0,86}. Po zlogarytmowaniu otrzymamy linie proste z wykresu Leavitt.

W roku 1926 szwedzki matematyk Gösta Mittag-Leffler, zwolennik równouprawnienia kobiet w nauce, który przyczynił się do profesury Sofii Kowalewskiej w Sztokholmie i Nagrody Nobla dla Marii Skłodowskiej-Curie, chciał nominacji Leavitt do tej nagrody. Dowiedział się jednak, że kilka lat wcześniej zmarła ona na raka w wieku 53 lat. Nagroda Nobla wymaga wielkich osiągnięć, ale często także dobrego zdrowia, by jej dożyć. Leavitt żyła skromnie, pozostawiła po sobie majątek wartości 314 dolarów i 91 centów. Niewątpliwie należała do tych, którym nauka zawdzięcza dużo więcej niż oni nauce.

Gottfried Wilhelm Leibniz: Dusze jako hologramy świata (list do księżnej elektorowej Zofii, 4 listopada 1696)

Wiek XVII to epoka, gdy zaczęła się współczesność. Nasze nauki, idee, koncepcje, metody i złudzenia mają swe źródła właśnie wtedy. Oczywiście, przedtem było średniowiecze, które nie zawsze było ciemne, a jeszcze przedtem Grecy z geometrią i z tragediami ilustrującymi, jak działa nieubłagane przeznaczenie. Dopiero jednak w XVII wieku różne nikłe strumyczki złączyły się w rzekę, która na złe i dobre niesie nas w nieznane.
Ojcowie założyciele nowożytnej nauki nie zawsze już są dla nas zrozumiali. Gottfried Wilhelm Leibniz jest jednym z najoryginalniejszych myślicieli tamtego wieku. Trwałym jego osiągnięciem okazał się rachunek różniczkowy i całkowy. Zajmował się Leibniz niemal wszystkim: od religii, historii i prawa, przez teologię, fizykę, logikę, matematykę aż po filozofię. Jeden z najmądrzejszych ludzi w Europie spędzał życie w służbie niezbyt rozgarniętych książąt. Nadrabiał to korespondencją, wiek XVII to pierwszy wiek dobrze działającej poczty w Europie. Rozpuszczeni internetem nie rozumiemy już, jak wielkie to było osiągnięcie, jak bardzo przyczyniło się do wymiany myśli. Pisanie listów zmuszało do przemyślenia poglądów, wyrażenia ich w formie kilkustronicowego skrótu, wciąż daleko było do czasów, gdy każdą ideę można zawrzeć w 140 znakach.

correspondance_leibniz

Świat Leibniza nie składa się z materialnych atomów, wypełniony jest bytami po brzegi, na wszystkich poziomach. Każdy jego fragment zawiera nieskończenie wiele mniejszych bytów, przypomina samopodobny zbiór Mandelbrota, który w powiększeniu przypomina do złudzenia sam siebie. Podstawowymi jednostkami są dusze – słynne monady, z których każda odzwierciedla cały wszechświat. Istnieją one, odkąd zostały stworzone, i będą istnieć, dopóki Stwórca ich nie unicestwi. Każda z owych dusz rozwija się niejako realizując wbudowany w nią od początku program. Nie ma śmierci, jest tylko przeobrażenie. Nic nigdy nie ginie ani nie powstaje, rozwija się tylko, ewoluuje ku większej doskonałości. Jest to piękny sen o racjonalnym świecie urządzonym przez dobrego Boga. W oczach Leibniza rzeczywistość była rodzajem uporządkowanego snu czy filmu, czymś w rodzaju rzeczywistości wirtualnej zaprogramowanej przez Stwórcę. Była ona przy tym zaprogramowana tak zmyślnie, że owe programy uwzględniały wszystkie pozostałe programy: dzięki temu możemy mieć wrażenie, iż uczestniczymy interaktywnie w rzeczywistym świecie, ale naprawdę mamy tylko nałożone okulary VR. Wszechświat jest holograficzny: ekstrahując informację z jego maleńkiego wycinka, z pojedynczej duszy, moglibyśmy poznać całą resztę dusz, a więc wszystko, co jest do poznania.

Samopodobieństwo zbioru Mandelbrota zobaczyć można np. tu i jeszcze w większym pliku tu.

Księżna elektorowa Zofia była żoną Ernesta Augusta, księcia Brunszwiku-Lüneburga. Leibniz był ich nadwornym bibliotekarzem i historykiem, ta ostatnia dziedzina okazała się niezwykle istotna dla księcia – dzięki dokumentom odnalezionym przez uczonego został on podniesiony przez cesarza do godności elektora. Zofia pod koniec życia uzyskała prawo do tronu angielskiego, z którego skorzystał dopiero jej syn Jerzy I. Dynastia hanowerska rządzi w Anglii do dziś. List jest jednym z wielu, które uczony pisał do księżnej Zofii, osoby wykształconej i inteligentnej. Kobiety na tych dworach często miały zainteresowania intelektualne czy artystyczne, ich mężowie zwykle nie sięgali wyobraźnią poza bieżące machinacje polityczne oraz polowania.

Główne me rozważania obracają się wokół dwóch przedmiotów: jedności i nieskończoności. Dusze są jednościami, a ciała wielościami – lecz nieskończonymi, tak że najmniejszy pyłek zawiera jakiś świat z nieskończonością stworzeń. Mikroskopy ukazały naocznie, że w kropli wody znajdować się może więcej niż milion żyjątek. Jedności wszakże – choć są niepodzielne i nie mają części – nie przestają przedstawiać wielości, mniej więcej tak, jak wszystkie promienie okręgu łączą się w jego środku. Na takim właśnie złączeniu polega podziwu godna natura postrzeżenia; ono także sprawia, iż każda dusza jest osobnym światem, przedstawiającym wielki świat na swój sposób i wedle swego punktu widzenia, toteż każda dusza, skoro raz już zaczęła istnieć, musi być tak samo trwała jak ów świat, którego jest wiecznym zwierciadłem. Zwierciadła te są uniwersalne i każda dusza przedstawia dokładnie cały wszechświat. Gdyż nie ma w świecie niczego, co nie miałoby udziału w całej reszcie, choć wpływ staje się mniej dostrzegalny wraz odległością. Wśród wszystkich dusz nie ma bardziej wzniosłych niż te, które zdolne są rozumieć prawdy wieczne, zdolne nie tylko przedstawiać świat w niewyraźny sposób, ale także rozumieć i posiadać wyraźne idee piękna oraz wielkości substancji suwerennej. Znaczy to być nie tylko zwierciadłem wszechświata (jakim są wszystkie dusze), lecz również tego, co we wszechświecie najlepsze. To znaczy samego Boga; to właśnie zastrzeżone jest dla umysłów albo inteligencji, które dzięki temu zdolne są kierować innymi stworzeniami w naśladowaniu Stwórcy.
Skoro więc każda dusza przedstawia wiernie cały wszechświat, a każdy umysł przedstawia jeszcze dodatkowo samego Boga we wszechświecie, łatwo dojść do wniosku, iż umysły są czymś większym, niż się sądzi. Jest bowiem prawdą pewną, że każda substancja dojść musi do takiej doskonałości, do której jest zdolna i która zawiera się w niej niejako zwinięta. Dobrze jest też rozważyć, iż w tym życiu zmysłowym starzejemy się po osiągnięciu dojrzałości, ponieważ zbliżamy się ku śmierci, która jest jedynie zmianą sceny; ale życie wieczne dusz nie podlega śmierci i tak samo nie podlega starości. Dlatego doskonalą się one i dojrzewają ustawicznie, tak samo jak świat, którego są obrazem; nic bowiem nie ma na zewnątrz wszechświata, co mogłoby mu stanąć na przeszkodzie, toteż wszechświat musi stale doskonalić się i rozwijać.
Można by wysunąć zarzut, że to doskonalenie nie jest widoczne, a nawet, że niejako cofa się skutkiem panującego nieładu. Jest tak jednak tylko na pozór, co można stwierdzić na przykładzie astronomii: nam, znajdującym się na ziemskim globie, ruch planet wydaje się czymś nieuporządkowanym. Gwiazdy zdają się błądzić i poruszać bezładnie raz w przód, a raz wstecz, a nawet zatrzymywać się od czasu do czasu. Kiedy jednak dzięki Kopernikowi umieściliśmy się na Słońcu – przynajmniej przy pomocy oczu naszego umysłu – odkryliśmy ład godny podziwu. W ten sposób nie tylko że wszystko dokonuje się zgodnie z zasadami tego ładu, ale nawet i ludzkie umysły zdolne są zdać sobie z tego sprawę w miarę, jak czynią postępy.
(…) Mam nadzieję, że [umysły] we Francji odwrócą się stopniowo od tej mechanicznej sekty [kartezjan] i od tego małostkowego przekonania o ograniczonej szczodrobliwości natury, która tylko nam jednym miałaby przyznać przywilej posiadania duszy. Kto wniknie głębiej w przedstawione przeze mnie myśli na temat nieskończoności, ten wyrobi sobie zgoła inne pojęcie o majestacie wszechświata zamiast uważać go za warsztat rzemieślnika, jak czyni to autor wielości światów [Fontenelle] w rozmowach ze swoją markizą. Każda bowiem machina naturalna ma nieskończenie wiele narządów i co jest jeszcze bardziej godne podziwu, to właśnie dzięki temu każde zwierzę odporne jest na wszelkie przypadłości i nie zostaje nigdy zniszczone, lecz jedynie zmienione i oddzielone przez śmierć, tak jak wąż zrzuca starą skórę; narodziny i śmierć są bowiem tylko rozwijaniem i zwijaniem, aby przyswoić nowy pokarm i aby go potem porzucić, gdy posiądzie się jego istotę, a zwłaszcza gdy zatrzyma się w sobie ślady postrzeżeń, które się posiadło i które zostają na zawsze i nigdy nie ulegają całkowicie zapomnieniu i choć nie zawsze ma się okazję je przypomnieć, idee takie nie omieszkają się przypomnieć i stać użyteczne z biegiem czasu. Toteż można dowieść matematycznie, iż wszelkie działanie, jakkolwiek małe by ono było, rozciąga się do nieskończoności, zarówno pod względem miejsc, jak i w czasie, promieniując – by tak rzec – na cały wszechświat i przechowując się przez całą wieczność. Tak więc nie tylko dusze, ale i ich działania przechowują się wiecznie, a nawet działanie każdej z nich przechowuje się we wszystkich duszach wszechświata za sprawą współdziałania i zgodności wszystkich rzeczy; świat cały zawarty jest w każdej swej części, ale w jednych bardziej wyraźnie niż w drugich i na tym właśnie polega przewaga tych umysłów, dla których suwerenna inteligencja stworzyła wszystko inne, aby dać się poznać oraz kochać, niejako mnożąc się w ten sposób we wszystkich żyjących zwierciadłach, które ją przedstawiają.

Voltaire i Émilie du Châtelet: umysłowe powinowactwa z wyboru

Kardynał de Polignac opowiadał kiedyś z przejęciem markizie du Deffand o męczeństwie św. Dionizego, który, zdekapitowany za wiarę, zabrał swoją głowę z miejsca kaźni i powędrował z nią z Paryża aż do miejsca, gdzie dziś wznosi się bazylika Saint-Denis.

– To całe dwie mile, madame, dwie mile!

– Och, monseigneur, w takich sytuacjach najtrudniejszy jest pierwszy krok – odparła markiza.

Nie doceniamy, jak trudno jest zrobić pierwszy krok. W nauce najtrudniejsze nie są bynajmniej popisy sprawności matematycznej czy technicznej, lecz przezwyciężenie trudności pojęciowych, dostrzeżenie problemu z właściwej strony, nowatorskie ujęcie, pozbycie się niepotrzebnego balastu myślowego. Dotyczy to twórców, ale też i tych, którzy wbrew panującym poglądom propagują myśli dotąd niespotykane.

Voltaire i Émilie du Châtelet wprowadzali do Francji, a tym samym do Europy, filozofię Locke’a i fizykę Newtona. Oznaczało to dla nich, że człowiek, posługując się rozumem i eksperymentem, może poznać budowę wszechświata. Dziś nie umiemy już sobie wyobrazić owego olśnienia: oto ludzkość nie jest skazana na dreptanie w kółko, jałowe spekulacje i wieczne powtarzanie błędów. Uchwyciliśmy początki prawdziwej wiedzy, która nie przeminie wraz z modą na pudrowane peruki.

Na razie jednak po dwóch stronach kanału La Manche wszechświat wydawał się zupełnie różny. Francuzi przyjęli, wprawdzie z niemal stuletnim opóźnieniem, poglądy swego rodaka-emigranta, Kartezjusza. Nauczał on, że nie ma próżni, gdzie bowiem jest rozciągłość, tam jest i materia. Świat miał być wypełniony najróżniejszymi cząstkami, które wciąż się poruszały i stale wypełniały nawet najmniejsze załomki przestrzeni. Ciała mogły się wedle Kartezjusza zderzać, ale w żadnym razie przyciągać. Zderzenia były przekazywaniem ruchu, jak w przypadku kul bilardowych. Przyciąganie na odległość było w tej filozofii wyklęte, było magią, nawrotem do scholastyki, dziwacznym przesądem „światło ćmiącym”. Anglicy widzieli to inaczej (gdyby Bóg nie zamierzał ich oddzielić od Francuzów, nie stworzyłby The English Channel). Isaac Newton przedstawił pewną teorię matematyczną dotyczącą przyrody. Gdyby planety były przyciągane przez Słońce siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości, to poruszałyby się tak, jak to obserwują astronomowie. Kosmiczny ośrodek tylko by w tym przeszkadzał. Gdyby taka siła działała, to i Słońce powinno być przyciągane przez planety. A także planety powinny się przyciągać wzajemnie. Gdyby to była prawda, to Ziemia powinna być spłaszczona u biegunów, a morza powinny podążać za ruchem Księżyca… Grawitacja była jednym z owych rzadkich gdyby, stopniowo zamieniających się w pewność.

Francuz, który przybywa do Londynu, zastaje tam mnóstwo zmian nie tylko w filozofii, lecz w ogóle wszędzie. Zostawił w Paryżu świat pełen, a tutaj zastaje go pustym. W Paryżu każdy widzi wszechświat złożony z wirów subtelnej materii, w Londynie nikt czegoś podobnego nie spostrzega. U nas ciśnienie Księżyca wywołuje przypływ morza, u Anglików zaś morze ciąży w kierunku Księżyca (…) Dowiecie się także, iż Słońce, które we Francji się do tego nie wtrąca, tutaj ma jedną czwartą udziału w rzeczonej sprawie. U waszych kartezjanów wszystko dzieje się na skutek impulsów, których nikt nie rozumie, u pana Newtona zawdzięczamy wszystko przyciąganiu, którego przyczyny także nikt nie zna. W Paryżu wyobrażacie sobie Ziemię okrągłą jak melon; w Londynie Ziemia jest na biegunach spłaszczona. Dla kartezjanina światło istnieje w powietrzu, a dla newtończyka przybywa ono ze Słońca w sześć i pół minuty [Listy filozoficzne, przeł. J. Rogoziński].

Pamiętajmy, że kiedy Voltaire to pisał, rozstrzygnięcie było nieznane. Ilu z dzisiejszych poetów potrafi prawidłowo rozpoznać, która z współczesnych teorii fizycznych będzie najpłodniejsza przez następne dwieście lat? I pamiętajmy, że książka, z której pochodzi ten cytat, została spalona ręką kata, a jej autor stał się człowiekiem wyjętym spod prawa. To nie było beztroskie głoszenie oryginalnych poglądów, można było drogo zapłacić za luksus opinii innej niż oficjalna. Oczywiście, prześladowcom Voltaire’a nie o samą naukę chodziło: Newton i Locke byli fragmentem obrazoburczej całości, w której monarchia mogłaby być bardziej oświecona, a kler nieco bardziej ewangeliczny – adresaci tych postulatów źle znosili uwagi jakiegoś tam poety, choćby i sławnego. Francja była na szczęście dyktaturą łagodzoną koneksjami, Voltaire schronił się więc u markizy du Châtelet w jej château Cirey.

2.Emilie_Chatelet_portrait_by_Latour

 

(portret Maurice’a Quentina de La Tour)

Kochali się i przez lata byli sobie wierni; fakt, że Émilie była mężatką, nie miał tu większego znaczenia. Był to bodaj pierwszy w historii związek dwojga ludzi, których prócz miłości, łączyły wspólne cele intelektualne i wymiana myśli (Heloiza i Abelard to jednak nie to samo). Émilie du Châtelet nie odebrała szkolnego wykształcenia – panny posyłano wówczas najwyżej do szkół klasztornych, gdzie edukacja była nader licha – ale znała łacinę i języki nowożytne, potrafiła nauczyć się matematyki. Nie zdążyła być wielką fizyczką, zaczęła zbyt późno. Lepiej wszakże niż Voltaire rozumiała matematyczne zasady Newtona – przełożyła jego legendarnie trudne Principia na francuski – do dziś nie ma innego przekładu. Oboje byli amatorami w najlepszym sensie tego słowa, wywodzącego się przecież od łacińskiego amare – kochać. Znaczyło to, że nie muszą zajmować się nudnymi rzeczami jedynie dla kariery, lecz mogą skupić się na tym, co ważne. Pracując we dwoje, dokonali więcej niż niejedno uczone towarzystwo. Nasza cywilizacja nie została stworzona wyłącznie przez odosobnionych geniuszy w rodzaju Newtona, wielką rolę odegrali także ci, którzy potrafili wielkie idee uczynić powszechną własnością – wprowadzanie w obieg wartościowych idei jest nie mniej ważne niż wprowadzanie w obieg rzetelnego pieniądza.

William i Caroline Herschelowie: kształt Galaktyki (1785)

Jest tylko jedna cecha, która naprawdę przeszkadza w uprawianiu nauki: brak pasji i ciekawości. Inne braki można zazwyczaj z powodzeniem nadrobić. Wbrew pozorom tylko niektóre dziedziny nauki są rzeczywiście trudne i wymagają jakichś szczególnych talentów, ogromna większość jest do opanowania, jeśli ma się do tego motywację.
William Herschel nie miał żadnego wykształcenia, ale miał autentyczną pasję do astronomii. Był Niemcem, synem wojskowego oboisty i jako czternastolatek wstąpił w ślady ojca do gwardyjskiej orkiestry wojskowej w elektoracie Hanoweru. W 1757 wojska hanowerskie zostały pokonane przez Francuzów, a Wilhelm wraz ze swym bratem wyjechali do Anglii. W przypadku Wilhelma była to właściwie dezercja, wiele lat później zostanie mu ona oficjalnie wybaczona przez króla Jerzego III.
Młody muzyk po dziewięciu latach chudych dostał posadę organisty w modnej miejscowości nadmorskiej Bath. Odwiedził wtedy rodzinę w Hanowerze i przywiózł do Anglii młodszą siostrę Caroline, którą miał uczyć śpiewu. Caroline okazała się zdolna i występowała razem z bratem. Wilhelm, czy jak go nazywano w Anglii: William, interesował się jednak głównie astronomią, więc z czasem także Caroline zaczęła się nią zajmować. Nie miała pewnie szans na karierę sceniczną, wskutek tyfusu przebytego w dzieciństwie przestała rosnąć i jako dorosła miała około 130 cm wzrostu. Prowadziła bratu gospodarstwo i pomagała mu w pracach astronomicznych, które z czasem stały się ich głównym zajęciem.
Herschel nie miał pieniędzy na kosztowne teleskopy, toteż zaczął sobie sam konstruować przyrządy. W ten sposób wprowadził do astronomii teleskopy zwierciadlane, znane już wcześniej, ale nie stosowane na szerszą skalę. Miały ogromne na owe czasy średnice zwierciadła, co umożliwiało obserwację słabych obiektów. Herschel spojrzał na niebo jak przyrodnik na las: jako miejsce, w którym odbywają się różne powiązane ze sobą procesy. Niewiele było wiadomo o dalekim wszechświecie. Mgławice traktowano np. jako anomalne ciekawostki, dopóki William i Caroline nie skatalogowali ich 2500. Przy okazji odkryli sporo komet i William odkrył planetę Uran. Praca wyglądała tak, że teleskop ustawiony był nieruchomo w płaszczyźnie południka, a obserwator rejestrował po kolei wszystkie obiekty przesuwające się w polu widzenia.

tele_herschel_big

Teleskop Herschela o ogniskowej 20 stóp

Prędzej czy później Uran musiał zostać przez Herschela odkryty, ponieważ takich przeglądów całego nieba wykonał on w życiu kilka. Uranowi zawdzięczał Herschel pensję od króla Jerzego – dyplomatycznie nazwał planetę imieniem króla. Nazwa się nie przyjęła poza Anglią, ale pensja została.

W roku 1785 Herschel opublikował pracę na temat układu gwiazd, do którego należy Słońce. Kliku uczonych zwróciło uwagę, że Droga Mleczna na niebie, to zapewne skutek tego, że znajdujemy się w płaszczyźnie jakiegoś dysku gwiazd. Były to jednak czyste spekulacje, jakie można prowadzić w pogodny wieczór po kolacji. Herschel pierwszy postanowił zmierzyć kształt tego obłoku – czyli Galaktyki. Wyszło mu coś takiego.

Herschel-Galaxy

 

Nie jest to wizja artystyczna, lecz wynik pomiarów. Większa gwiazdka blisko środka to Słońce. Charakterystyczne rozdwojenie po prawej stronie odpowiada obszarowi w gwiazdozbiorze Łabędzia, gdzie Droga Mleczna się rozdwaja. Herschel przyjął, że koncentracja gwiazd we wszechświecie jest stała: zawsze tyle samo przypada ich na daną objętość. Założył też, że za pomocą swego teleskopu o ogniskowej 20 stóp widzi wszystkie gwiazdy, jakie istnieją. Następnie policzył liczbę gwiazd w polu widzenia w różnych kierunkach: liczba ta była miarą rozmiarów naszej Galaktyki w danym kierunku (widzimy stożek z wierzchołkiem w oku obserwatora, objętość stożka jest proporcjonalna do jego wysokości).

Praca ta okazała się błędna, sam Herschel zauważył, że przez jeszcze większy teleskop, który z czasem skonstruował, widzi jeszcze więcej gwiazd. Także założenie o stałej przestrzennej koncentracji gwiazd jest fałszywe. Naprawdę Galaktyka jest znacznie większa, niż wtedy można było przypuszczać, a Słońce jest daleko od środka. Rozdwojenie jest skutkiem pochłaniania światła dalszych gwiazd przez obłok pyłu. Ale to wszystko trzeba było wyjaśniać przez sto pięćdziesiąt następnych lat. Jednak to Herschel ukazał ludziom zupełnie nowy wszechświat. A że często się mylił? Jego błędy okazały się znacznie bardziej twórcze niż dziesiątki poprawnych prac, które nikogo nie zainspirowały do niczego prócz ziewania.

 

 

Alexis Clairaut i powrót komety Halleya (1759)

Co właściwie odkrył Isaac Newton? Przede wszystkim prawo powszechnego ciążenia: każde dwie masy przyciągają się siłami odwrotnie proporcjonalnymi do kwadratu odległości.

Newton wykazał, że jego prawo jest dość dokładnie spełnione. Pojawiło się pytanie: jak dokładnie. Większość uczonych kontynentalnych jeszcze sześćdziesiąt lat po ukazaniu się książki Isaaca Newtona spierało się o przyciąganie. Wielu nie mogło się pogodzić z przyciąganiem działającym na odległość poprzez pustą przestrzeń. Wątpliwości budziła też powszechność owego ciążenia: każde ciało jest przyciągane przez wszystkie inne, więc problem ruchu robi się trudny, jeśli nie beznadziejny matematycznie. Łatwo było się zgodzić, że Słońce oddziałuje na planety. Ale według Newtona planety oddziaływały także na Słońce (III zasada dynamiki), poza tym przyciągały się nawzajem. Było więc proste matematycznie prawo, które prowadziło do skomplikowanych zachowań.

No dobrze, ale może to prawo ciążenia jest też tylko jakimś przybliżeniem prawdziwej sytuacji. Czemu mielibyśmy wierzyć, że akurat Newtonowi udało się jednym strzałem utrafić w samo sedno?

Alexis Claude Clairaut przyczynił się chyba najbardziej do ugruntowania wiary w prawo ciążenia w takiej dokładnie postaci, jaką nadał mu Newton, bez żadnych poprawek. W roku 1749 udało mu się wyjaśnić pewien kłopotliwy szczegół w ruchu Księżyca. Uprzedził w tym dwóch swoich wielkich rywali: Jeana Le Rond d’Alemberta i Leonharda Eulera (przedtem na zagadnieniu tym poległ sam Isaac Newton).

504px-Alexis_Clairault

(źródło ilustracji: Wikipedia)

W roku 1757 zajął się kwestią komety. Edmond Halley obliczał kiedyś orbity komet w przestrzeni dla Newtona – było to żmudne, starszy uczony postanowił się wyręczyć młodszym kolegą. Metoda obliczeń zakładała, że orbita jest parabolą, a więc krzywą otwartą. Halley zauważył, że parabole dla komet z lat 1531, 1607, 1682 leżały bardzo blisko siebie w przestrzeni. Mogło więc chodzić o kometę poruszającą się po wydłużonej elipsie i powracającą w nasze okolice raz na 76 lat (na małym kawałku, który obserwujemy, wydłużona elipsa i parabola prawie się nie różnią). Jeśli tak, to kometa powinna wrócić około roku 1758.

Newton ani nawet Halley nie mieli szans dożyć tego momentu. Jeśli prawo ciążenia jest słuszne, to orbita komety mogła zostać trochę zaburzona wskutek przyciągania planet. Szczególnie ważne było tu przyciąganie dwóch największych planet Układu Słonecznego: Jowisza i Saturna (Urana i Neptuna jeszcze nie odkryto). Przyciąganie to mogło opóźnić albo przyspieszyć pojawienie się komety. Problem jednak w tym, że nie wystarczy wziąć pod uwagę przyciągania Jowisza, gdy kometa przelatuje w jego okolicy – trzeba uwzględnić jego wpływ w różnych odległościach i skutki tego przyciągania pododawać do siebie. Było to zagadnienie w sam raz dla komputera, tyle że komputerów nie było, a w dodatku obliczenie było pionierskie, bez gwarancji sukcesu.

halleyorb3Orbita komety Halleya (rysunek z książki J.D. Landstreet, Physical Processes in the Solar System), zwróćmy uwagę, że kometa obiega Słońce w przeciwnym kierunku do planet, świadczy to o jej burzliwej przeszłości wskutek której orbita przyjęła obecny kształt. Ale to dygresja.

Clairaut pracował z dwójką współpracowników: astronomem Josephem Jérôme’em de Lalande  oraz panią Nicole Reine Lepaute, żoną królewskiego zegarmistrza, konstruktora przyrządów wykorzystywanych w całej Europie. Pani Lepaute brała udział w konstruowaniu różnych wymyślnych zegarów, znała się też na astronomii.

491px-Jérôme_Lalande 465px-Nicole-Reine_Lepaute

(źródło ilustracji: Wikipedia)

Im bardziej wydłużały się rachunki, tym bardziej należało się spieszyć, aby zdążyć przed pojawieniem się komety na niebie. W ostatnim półroczu cała trójka pracowała bez wytchnienia, czasami nie przerywając obliczeń nawet podczas posiłków. Lalande twierdził, iż wskutek tej szalonej pracy, nabawił się choroby, która odmieniła jego temperament na resztę życia. Wreszcie na publicznym zebraniu Akademii Nauk 14 listopada 1758 roku Alexis Clairaut przedstawił wstępne wyniki pracy. Kometa miała przejść przez perihelium w połowie kwietnia następnego roku. Błąd tego przewidywania oszacował Clairaut na miesiąc. Pod koniec grudnia jako pierwszy kometę zaobserwował rolnik i astronom-amator Johan Georg Palitzsch. Wkrótce obserwowali ją wszyscy. Lalande wyznaczył z tych obserwacji moment przejścia komety przez perihelium: zdarzyło się to 13 marca 1759. Obliczenia trójki uczonych się potwierdziły.

Nie ma jednak takiego sukcesu, który wybaczyliby koledzy: zaczęto pracę Clairauta krytykować jako bardziej żmudną niż pożyteczną. Zaczęła się dyskusja, czy miesiąc błędu to dużo, czy mało i z czym ten błąd porównywać. Za większością tych krytyk stał Jean Le Rond d’Alembert, uczony wybitny, ale zawistny (prowadził także spory z Eulerem, który sam też nie był bez grzechu). Clairaut obliczył właściwie dwa pojawienia się komety: jedno z przeszłości dla kontroli, a drugie z 1759 roku. Twierdził, całkiem rozsądnie, że oba te rachunki stanowiły potwierdzenie teorii Newtona. Fakt, że jedno zdarzenie już się odbyło, nie zmienia obliczeń. Prognoza jest tylko efektowniejsza i ma większe znaczenie psychologiczne. W pewnym momencie zirytowany Clairaut stwierdził, że „wartość matematyka nie zawsze polega na tym, by zapełnić wiele stronic całkami i urojonymi wykładnikami” – wskazał tu na specjalność d’Alemberta, któremu nie chciało się wykonywać szczegółowych obliczeń i poprzestawał na wyrażeniach ogólnych.

Była w tym jednak i sprawa poważniejsza: d’Alembert uważał, że fizyka matematyczna musi być z natury przybliżona i takie rachunki, jakie przeprowadziła trójka uczonych, nie mają większego sensu, bo i tak nie można bardzo precyzyjnie obliczyć ruchów ciał niebieskich. Mylił się zasadniczo. Uważamy dziś, tak jak Clairaut, że teorie fundamentalne mają dokładnie przylegać do obserwacji. Teoria grawitacji Newtona, jak się z czasem okazało, jest dokładna do siedmiu cyfr znaczących, czyli jak 1 do 10 milionów. Teoria względności jest dokładna do czternastu cyfr znaczących, czyli 1 jak do stu bilionów (milionów milionów). Pracochłonne rachunki trójki uczonych miały więc głęboki sens fundamentalny, zawsze trzeba sprawdzać, ile wiemy, a gdzie zaczyna się nasza niewiedza.