Jakob Hermann pisze do Johanna Bernoulliego na temat ruchu planet, 12 lipca 1710 r.

Ulmenses sunt mathematici – mieszkańcy Ulm to matematycy – głosiło stare porzekadło. Znamy jednego matematyka z Ulm Johannesa Faulhabera, który miał kontakty z Keplerem i być może z Kartezjuszem. Słynna ogrzewana komora, w której rozmyślał francuski filozof pewnej jesieni, mieściła się w Neuburgu niezbyt oddalonym od Ulm. No i w Ulm urodził się Albert Einstein, lecz rodzina rok później się przeprowadziła i uczony jako człowiek dorosły nigdy potem nie odwiedził już swego miasta rodzinnego.

Prawdziwą kolebką matematyków była natomiast leżąca niezbyt daleko od Ulm Bazylea. Stąd pochodziła rozgałęziona rodzina Bernoullich, a także Leonhard Euler i Jakob Hermann. Protoplastą naukowego rodu był Jakob Bernoulli, to od niego uczyli się matematyki jego brat Johann oraz Jakob Hermann. Johann z kolei był ojcem wybitnego Daniela i nauczycielem genialnego Eulera. Ponieważ posad dla matematyków nie było w Europie wiele, więc wszyscy ci matematycy sporo podróżowali. Dzięki bazylejskim matematykom rachunek różniczkowy i całkowy Leibniza stał się podstawą nowożytnej matematyki.

Drugim wielkim zadaniem uczonych od końca XVII wieku stało się przyswojenie osiągnięć Isaaca Newtona. Matematyczne zasady filozofii przyrody zawierały rewolucyjną fizykę przedstawioną za pomocą indywidualnego języka matematycznego, stworzonego przez autora. Nie było w historii nauki traktatu tak oryginalnego zarówno pod względem treści fizycznej, jak i matematycznej. Toteż jego zrozumienie i opanowanie zajmowało całe lata nawet wybitnym uczonym. Na kontynencie panował matematyczny idiom Leibniza i twierdzenia Newtona tłumaczono niejako na tę zrozumiałą wśród uczonych symbolikę.

Jakob Hermann pierwszy podał różniczkowe sformułowanie II zasady dynamiki. Miało ono u niego postać

G=M dV: dT,

gdzie G,M oznaczały siłę i masę, a dV, dT – różniczki prędkości i czasu. Zapis ten pojawił się dopiero na 57 stronie jego traktatu Phoronomia (1716) i odnosił się do siły ciężkości zależnej od położenia. Oczywiście, Newton już w 1687 r. rozważał takie siły, ale wyłącznie w postaci geometrycznej. Jego II prawo brzmiało: „Zmiana ruchu jest proporcjonalna do przyłożonej siły poruszającej i następuje w kierunku prostej, wzdłuż której siła ta jest przyłożona.” Newton miał na myśli zmiany pędu ciała w pewnym krótkim czasie. Jednym problemem tego sformułowania była kwestia opisywania zmian w czasie, drugim problemem był wektorowy charakter siły: ilość ruchu, pęd, zmienia się w kierunku przyłożonej siły.

Pokażemy, jak Hermann rozwiązał problem ruchu ciała przyciąganego siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości od nieruchomego centrum. Zwolennicy Leibniza mieli zastrzeżenia do Newtonowskiego dowodu tego faktu, zbyt szkicowego. Pragnęli wyraźnego wykazania, że tylko stożkowe (albo część linii prostej) mogą być torem ciała.

Wyobrażamy sobie przyciągane przez centrum S ciało zakreślające krzywą CD. Jego ruch w nieskończenie krótkim czasie dt można przedstawić jako sumę wektorową ruchu bezwładnego od C do E oraz spadania od E do D wzdłuż kierunku siły w punkcie C, tzn. odcinki SC i DE są równoległe. Zmiana współrzędnej x w ruchu bezwładnym byłaby równa dx. Efekt działania siły przyciągającej to różniczka drugiego rzędu ddx (co później zapisywano d^{2}x). Oczywiście do ddx wchodzi tylko x-owa składowa siły.

Dziś narysowalibyśmy to tak, Hermann odnajduje trójkąty podobne na swoim rysunku i dochodzi do wniosku, że

ddx \propto F\dfrac{x}{r} dt^2.

Pole SCD zakreślane w czasie dt można przedstawić jako pole trójkąta o bokach [x,y] oraz [dx,dy], a więc jest ono równe połowie pola równoległoboku dt\propto y dx-x dy.
Ostatecznie różniczkę ddx możemy zapisać następująco (siła jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości):

-a ddx=\dfrac{x}{r^3}(y dx-x dy)^2,

gdzie a jest stałą proporcjonalności. Naszym zadaniem jest znalezienie równania krzywej.
Całką tego równania jest

a dx=\dfrac{y}{r}(ydx-xdy).

Dzieląc obustronnie przez x^2 i całkując ponownie, otrzymujemy

-\dfrac{a}{x}+c=\dfrac{r}{x}\;\Rightarrow\; -a+cx=r,

gdzie c jest stałą całkowania. Jest to równanie stożkowej (po obustronnym podniesieniu do kwadratu otrzymamy wielomian kwadratowy w zmiennych x,y).

Postępowanie Hermanna jest pomysłowe, choć całkowania są nieintuicyjne. Można jednak, jak zawsze, sprawdzić je, idąc od końca do początku, tzn. wykonując dwa kolejne różniczkowania. Tak naprawdę sztuka rozwiązywania równań różniczkowych jest często zamaskowanym odgadywaniem całek. Różniczkowania wynikają z reguły Leibniza dla iloczynu d(uv)=v du+u dv.
W naszym przypadku mamy np. dla drugiego równania

d\left(\dfrac{y}{r}\right)=\dfrac{rdy-ydr}{r^2}=\dfrac{r^2 dy-y rdr}{r^3}.

Pamiętając, że r^2=x^2+y^2, mamy rdr=xdx+ydy. Itd. itp. rachunki „od końca” są łatwe. W pierwszym całkowaniu przyjęliśmy stałą całkowania równą zeru, co nie zmniejsza ogólności wyniku, bo Hermann zakłada, iż oś Sx jest osią toru planety, tzn. przecięcie z osią x z lewej strony punktu S następuje w peryhelium albo aphelium, czyli przy y=0 powinno być dx=0.
Johann Bernoulli, który miał dość nieznośny charakter (nigdy nie dość wypominania mu, jak to konkurował ze swym synem Danielem) odpowiedział wybrzydzaniem na procedurę Hermanna i przedstawił swoją ogólniejszą, opartą na innym podejściu.

Z dzisiejszego punktu widzenia Hermann odkrył pewną całkę pierwszą problemu Keplera (tak się dziś nazywa problem ruchu wokół centrum przyciągającego jak 1/r^2). Całka pierwsza to wyrażenie, którego wartość nie zmienia się podczas ruchu. U Hermanna jest to

-\dfrac{dx}{dt}L_{z}-\dfrac{y}{r}=A_{y}=const.

W wyrażeniu tym L_z=xp_{y}-yp_{x}. Gdyby zająć się przyspieszeniem wzdłuż osi Sy, otrzymalibyśmy drugą całkę. Razem składają się one na wektor

\vec{A}=\vec{p}\times \vec{L}-\dfrac{\vec{r}}{r}.

Nazywa się go wektorem Rungego-Lenza, choć odkrył go właściwie Jakob Hermann. W pełni zdał sobie sprawę z faktu, że mamy trzy takie całki pierwsze, czyli w istocie wektor, Joseph Lagrange, a po nim Pierre Simon Laplace. Laplace przedyskutował też systematycznie wszystkie całki pierwsze problemu Keplera (trzy to moment pędu, trzy to nasz wektor, jedna to energia całkowita planety). Carl David Runge (ur. 1856) oraz Wilhelm Lenz (ur. 1888) pojawiają się w tej historii późno i w rolach dość przypadkowych. Pierwszy (znany z algorytmu Rungego-Kutty) użył tego wektora w swoim podręczniku analizy wektorowej, drugi zastosował go do pewnego problemu w starej teorii kwantów, przepisując go z podręcznika Rungego. Zupełnie niekosztowny sposób wejścia do historii. Wilhelm Lenz jest natomiast autorem tzw. modelu Isinga (Ernst Ising był jego doktorantem). Wektor odegrał pewną rolę w powstaniu mechaniki kwantowej. Stosując go, Wolfgang Pauli otrzymał wartości energii w atomie wodoru na podstawie formalizmu macierzowego Heisenberga. Chwilę później Erwin Schrödinger zrobił to samo w swoim formalizmie i wielu fizyków nie wiedziało, co o tym myśleć, bo na pierwszy rzut oka oba podejścia różniły się kompletnie.

Leibniz, Newton i liczba pi (1676)

W roku 1676 dobiegł końca czteroletni pobyt Gottfrieda Wilhelma Leibniza w Paryżu. Teologiczno-dyplomatyczne cele jego misji nie zostały osiągnięte, Leibniz zetknął się jednak w Paryżu z najnowszymi naukami ścisłymi, w szczególności zajął się bliżej matematyką. Były to najświetniejsze lata paryskiej działalności Christiaana Huygensa, którego traktat o zegarze wahadłowym wtedy właśnie ujrzał światło dzienne. Leibniz chłonął nowości i robił szybkie postępy. Już w roku 1673 udało mu się znaleźć słynne przedstawienie liczby pi za pomocą szeregu. Odkrycie to zrobiło spore wrażenie zarówno na paryskich uczonych, jak i na samym odkrywcy, zachęcając go do dalszej pracy w dziedzinie matematyki (w przypadku uczonego tak wszechstronnie uzdolnionego, jak Leibniz, wybór dziedziny nie był bynajmniej czymś oczywistym). Dwa lata później odkrył Leibniz rachunek różniczkowy i całkowy. Ale szereg stanowił wciąż jego powód do dumy. Toteż pochwalił się nim, pisząc w roku 1676 do Henry’ego Oldenburga, sekretarza londyńskiego Royal Society. Z pewnym niedowierzaniem dowiedział się, że „jego” szereg znany jest na Wyspach. Było to trochę tak, jakby ktoś wracając z Princeton z wynikiem, który wszystkich zachwycił, usłyszał, że w Rosji na prowincji dawno już o tym wiedzą.

Szereg to uogólnienie sumy na przypadek nieskończonej liczby wyrazów. Znanym przykładem jest szereg geometryczny. Np.

\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{8}+\ldots =1.

Co można zilustrować dzieleniem pola kwadratu jednostkowego na kolejne połowy.

Oczywiście, nie zawsze suma taka jest dobrze określona. Jednym z najprostszych nieoczywistych szeregów jest szereg harmoniczny, odwrotności kolejnych liczb naturalnych:

1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{4}+\ldots

Można łatwo pokazać, że szereg ten jest rozbieżny, tzn. jego sumy częściowe przekraczają dowolną z góry zadaną liczbę – należy tylko zsumować odpowiednio wiele składników. Podobnie rozbieżny jest szereg odwrotności liczb nieparzystych (mimo że z poprzedniego szeregu wybraliśmy jedynie co drugi wyraz):

1+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}+\ldots

Nawet gdy ograniczymy się jedynie do odwrotności liczb pierwszych, szereg pozostanie rozbieżny, ten ostatni fakt udowodnił Leonhard Euler.

Szereg Leibniza ma następującą postać:

\dfrac{\pi}{4}=1-\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{5}-\dfrac{1}{7}+\ldots

Jest on naprzemienny, tzn. znaki kolejnych wyrazów się przeplatają. Szereg taki na pewno jest zbieżny, jeśli tylko jego wyraz ogólny dąży do zera. Nie zawsze jednak łatwo jest znaleźć wartość takiej sumy. Leibnizowi udało się odkryć powiązanie z liczbą \pi, znaną z geometrii. Na pierwszy rzut oka nie ma żadnych powodów, aby taki szereg, zbudowany za pomocą prostej arytmetyki, doprowadzić miał do liczby \pi. Stąd wrażenie, jakie to odkrycie wywarło. Jak ujął to dwudziestowieczny matematyk K.H.D. Knopp: „Dzięki temu rozwinięciu opadła jakby zasłona spowijająca tę dziwną liczbę [\pi]”.

Za pośrednictwem Oldenburga Isaac Newton reprezentował wyspiarzy. Profesor z Cambridge (które było wtedy matematyczną pustynią) przesłał mu dwa obszerne listy z przeznaczeniem dla Leibniza. Newton znany był wtedy w Europie jedynie z prac optycznych. Był jednak, i może przede wszystkim, matematykiem, najwybitniejszym w tamtej epoce. Derek T. Whiteside poświęcił najlepsze lata życia na wydanie jego rękopisów matematycznych w ośmiu ogromnych tomach. Większość tego materiału z różnych powodów nie ukazała się drukiem za życia Newtona. W chwili gdy napisał Leibniz, Newton był – by tak rzec – w trakcie czwartego tomu swoich dzieł, dawno po odkryciu rachunku fluksji i fluent, czyli swojej wersji rachunku różniczkowego i całkowego (a jak zwykle u matematyków pierwsze tomy dzieł zebranych są najciekawsze). Obaj uczeni chwalili się wynikami, nie przedstawiając dowodów i tylko mgliście napomykając o rachunku. Tak się składa, że rozwinięcia w szereg stanowiły inny ulubiony temat Newtona. Odkrył np., że naprzemienny szereg harmoniczny związany jest z wartościami funkcji logarytmicznej:

\ln{2}=1-\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{4}+\ldots .

Przemawiała do niego elegancja samych rozwinięć, a także ich aspekt praktyczny: pozwalały one obliczać wartości różnych funkcji albo stałych matematycznych, takich jak \pi. Posługując się odkrytym przez siebie rozwinięciem w szereg funkcji logarytmicznej, młody Isaac Newton obliczył kiedyś dla zabawy wartość

\ln{1,1}=0,09531 01798 04324 86004 39521 23280 76509 22206 05365  30864 4199183.

Prócz ludycznego miało to też aspekt praktyczny. Tablice logarytmów stosowane były w geodezji, nawigacji, astronomii. Znając z dużą dokładnością jedną lub kilka wartości logarytmu, można zbudować tablice, już z mniejszą liczbą cyfr znaczących (ze względu na błędy zaokragleń). Newton znał oczywiście szereg Leibniza. Zrewanżował mu się innym szeregiem, łudząco podobnym:

\dfrac{\pi}{2\sqrt{2}}=1+\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}+\ldots.

Dokumenty Leibniza pokazują, że mimo wskazówki, jak można ten szereg otrzymać, sztuka ta nie udała się Leibnizowi.

Henry Oldenburg niedługo później zmarł i Newton stracił na długo kontakt z Royal Society i z szerszym światem. Zresztą w tamtych latach pochłaniała go raczej teologia niż matematyka. Żaden z nich nie opisał drugiemu rachunku różniczkowego i całkowego. Po latach obaj zaczęli podejrzewać tego drugiego o kradzież intelektualną. Był to objaw paranoi, o którą nietrudno było w sytuacji, gdy matematycy chętniej publikowali wyniki niż metody zastosowane do ich uzyskania.

Spójrzmy na koniec na szczegóły. Otóż Leibniz, czytając pewien artykuł Pascala, wpadł na pomysł, aby szukanie pola pod jedną krzywą przekształcić w szukanie pola pod inną krzywą. Nazwał to metodą transmutacji. Opierała się ona na następującej obserwacji.

Rysujemy styczną do krzywej w pewnym punkcie, przecina ona oś y w pewnym punkcie. Rozpatrujemy następnie krzywoliniowy „trójkąt” złożony z małego odcinka krzywej i dwóch boków równoległych do osi. Gdy ów „trójkąt” staje się coraz mniejszy, zbliża się do prawdziwego trójkąta. Możemy napisać proporcję

\dfrac{dx}{ds}=\dfrac{h}{y} \, \Rightarrow y dx=h ds.

Pola infinitezymalnego (=„nieskończenie małego”) trójkąta utworzonego z dwóch promieni wodzących (linie przerywane) i odcinka krzywej równe jest \frac{1}{2} h ds. Sumując takie pola, czyli całkując, możemy obliczyć pole skończonego wycinka krzywej. Korzystając zaś z powyższej proporcji pole to można zamienić polem pewnej innej krzywej y(x): \frac{1}{2}\int{h ds}=\frac{1}{2}\int{ y dx}. Wynik ten może się przydać, jeśli zamiana jednej krzywej drugą prowadzi do uproszczenia problemu. Leibniz zastosował swoją metodę do okręgu.

Leibniz chciał obliczyć pole ćwiartki koła (\frac{\pi}{4}, składającej się z wycinka kołowego i trójkąta. Pole wycinka znaleźć można obliczając pole pod krzywą y(x), która ma równanie zapisane na rysunku. Łatwiej jest obliczyć pole między osią y a krzywą:

Szczegóły rachunku znaleźć można tutaj. Ostatecznie otrzymujemy

\dfrac{\pi}{4}={\displaystyle \int_{0}^{1}\dfrac{dx}{1+x^2}}.

Ułamek po prawej stronie zastępujemy szeregiem geometrycznym:

\dfrac{1}{1+x^2}=1-x^2+x^4-x^6+\ldots

i całkujemy wyraz po wyrazie. Wynik Newtona uzyskuje się z całki

{\displaystyle \int_{-1}^{1}\dfrac{dx}{1+\sqrt{2} x+x^2}=\dfrac{\pi}{\sqrt{2}}=2\int_{0}^{1}\dfrac{1+x^2}{1+x^4}dx}.

Całkę po prawej stronie rozwijamy w szereg jw. Leibniz nie znał, jak się wydaje, rozkładu na czynniki

1+x^4=(1+\sqrt{2}x+x^2)(1-\sqrt{2}x+x^2).

Johann Bernoulli i krzywa łańcuchowa (1690)

Matematycy XVII wieku lubili badać rozmaite osobliwe krzywe i uwielbiali chełpić się swoimi umiejętnościami. Krzywe stożkowe: elipsa, parabola i hiperbola, czyli krzywe opisywane równaniami drugiego stopnia, już im nie wystarczały. Isaac Newton przeprowadził klasyfikację wszystkich krzywych trzeciego stopnia, co jest znacznie trudniejsze niż dla drugiego stopnia. Chętnie też zajmowali się krzywymi powstającymi wskutek ruchu (jak cykloida) albo jako rozwiązanie pewnego problemu z mechaniki. Jedną z takich krzywych była linia łańcuchowa, czyli kształt, jak przyjmuje giętki i ciężki łańcuch zawieszony na dwóch końcach.
Jeszcze w XVI wieku młody Galileusz starał się poznać kształt krzywej łańcuchowej, sądząc, że jest to ta sama krzywa, jaką zakreśla rzucone ciało. Prowadził wraz z Guidobaldem del Monte eksperymenty, aby porównać obie krzywe. Krzywą balistyczną rysowali puszczając kulkę zamoczoną w atramencie po równi pochyłej, jak na obrazku.

Okazało się, że krzywa balistyczna przypomina parabolę, lecz krzywa łańcuchowa różni się od niej znacząco. Jak wiemy, Galileuszowi udało się znaleźć mechaniczne wyjaśnienie dla krzywej balistycznej. Jednak kształtu krzywej łańcuchowej nie potrafił opisać matematycznie.
W 1690 roku Jacob Bernoulli, matematyk z Lozanny, rzucił na łamach „Acta Eruditorum” – pierwszego niemieckiego czasopisma naukowego, założonego z inicjatywy Leibniza – wyzwanie do innych matematyków, by opisali kształt krzywej łańcuchowej. Jeszcze w tym samym roku zagadnienie to rozwiązali Gottfried Wilhelm Leibniz, a także młodszy brat Jacoba, dwudziestoczteroletni Johann, kształcący się na medyka. Kilka lat wcześniej Leibniz w tym samym czasopiśmie ogłosił zarysy rachunku różniczkowego i całkowego. Bracia Bernoulli pilnie przestudiowali tę technikę formułowania i rozwiązywania problemów, obaj też wkrótce przewyższyli Leibniza, zwłaszcza Johann, który stał się szybko jednym z mistrzów rachunku różniczkowego i całkowego. Ambitny Johann nie został medykiem (podobnie jak niegdyś Galileusz). Niedługo później zrobił furorę w matematycznych kręgach Paryża. Jego wykłady częściowo opublikował pod swoim nazwiskiem markiz de L’Hôpital (któremu Johann sprzedał wyniki), druga ich część opublikowana została dopiero pół wieku później w t.3 Opera omnia Johanna.
Po roku „Acta Eruditorum” opublikowały wyniki Leibniza, Huygensa i Johanna Bernoulliego, lecz bez dowodów. Ówcześni matematycy niechętnie ujawniali metody, woleli raczej drażnić konkurentów swymi umiejętnościami.
Praca Christiaana Huygensa była niezadowalająca, stary mistrz nie znał nowych technik. Rozpatrywał łańcuch zbudowany z odcinków i próbował wykonać przejście graniczne do krzywej ciągłej, gdy długość każdego odcinka dąży do zera. Leibniz podał rozwiązanie w najprostszy sposób jako konstrukcję średniej arytmetycznej z dwóch krzywych wykładniczych („curva logarithmica”). Kilka lat później Leibniz opisał szczegółowo swoje rozwiązanie w liście do Huygensa. Nie było ono zbyt eleganckie, lecz ukazywało siłę metody postępowania, dzięki której nawet mało inteligentne podejście do problemu dawało się skutecznie przeforsować. Sam Jacob nie zdołał rozwiązać problemu i niezbyt mu się podobało, że dokonał tego jego młodszy brat.

Johann Bernoulli wyraził swoje rozwiązanie w postaci pola pod pewną krzywą, czyli całki. Przeanalizował też szczegółowo cały problem i rozwiązał go w sposób zdecydowanie elegantszy. Podał szereg twierdzeń, które przedstawione są na kolejnych rysunkach.

Punktem wyjścia jest zasada następująca: (Fig. 131) siły działające w dwóch dowolnych punktach A i C po różnych stronach minimum mają kierunek styczny do krzywej (łańcuch jest giętki) i muszą dodane wektorowo zrównoważyć ciężar łańcucha pomiędzy A i C. Środek ciężkości odcinka AC łańcucha znajdzie się dokładnie nad punktem D. Jeśli (Fig. 133) utniemy jakiś kawałek łańcucha, np. powyżej F, pozostała część nie zmieni kształtu. W szczególności (Fig. 132 i 135) możemy wybrać jako jedną z sił styczną w minimum, pozwala to szczególnie prosto sformułować warunek, jaki musi spełniać nasza krzywa. Fig. 136 daje konstrukcję Leibniza, równoważną Fig. 137 konstrukcję Johanna.
Podstawowa własność krzywej łańcuchowej daje się odczytać ze współczesnej wersji Fig. 132.

Aby utrzymać w równowadze odcinek łańcucha o długości s i ciężarze \varrho s potrzebna jest równa temu ciężarowi składowa pionowa siły (fioletowa). Składowe poziome (czerwone) równoważą się nawzajem, co oznacza, że składowa pozioma jest niezależna od wysokości. Możemy więc zapisać dla naszej krzywej

\dfrac{dy}{dx}=\mbox{tg }\alpha = s.

Nachylenie stycznej proporcjonalne jest do odległości od minimum. Bez zmniejszenia ogólności możemy przyjąć, że stała proporcjonalności równa jest 1 – możemy to zawsze osiągnąć wybierając odpowiednio jednostkę długości. Reszta jest zastosowaniem cudownej metody Leibniza (*), która szybko prowadzi do wyniku:

y(x)=\cosh x\equiv \dfrac{e^x+e^{-x}}{2}.

Obecnie sumę taką jak w kształcie krzywej łańcuchowej zapisujemy jako cosinus hiperboliczny: algebra funkcji hiperbolicznych jest podobna do trygonometrycznych, z tą istotną różnicą, że jedynka trygonometryczna zastąpiona jest wyrażeniem \cosh^2 x-\sinh^2 x=1 i pochodna cosinusa hiperbolicznego jest równa sinusowi hiperbolicznemu (bez minusa).
Krzywa łańcuchowa różni się od paraboli tym bardziej, im dalej od minimum się znajdziemy.

(*) Oznaczmy pochodną szukanej funkcji przez u. Różniczkując obie strony równania krzywej łańcuchowej, otrzymujemy

\dfrac{du}{dx}=\dfrac{ds}{dx}=\dfrac{\sqrt{dy^2+dx^2}}{dx}=\sqrt{u^2+1}.

Stąd

{\displaystyle \int {\dfrac{du}{\sqrt{u^2+1}}}=\int dx=x+A,}

Całkę możemy obliczyć korzystając z jedynki hiperbolicznej: \cosh^2 z=\sinh^2 z+1. Podstawiając u=\sinh z, mamy du=\cosh z dz i po lewej stronie zostaje całka z 1:

z=x+A.

Możemy wziąć sinh z obu stron, otrzymamy wówczas

\sinh z=u=\dfrac{dy}{dx}=\sinh (x+A).

Całkując ostatnią równość, otrzymujemy y=\cosh x. Stałe całkowania powinny być równe 0, jeśli chcemy mieć wykres taki, jak na obrazkach powyżej.

Galileo Galilei odkrywa nowe planety (styczeń 1610 r.)

Miarą odkrycia – w nauce i poza nią – jest zawsze wielkość niespodzianki, jaką sprawiło.

I byłem jak astronom, gdy olśnionym okiem

Nową w swym gospodarstwie planetę dostrzeże;

Albo zuchwały Cortez, kiedy orlim wzrokiem

Dojrzał z dala Pacyfik, a jego rycerze

To na siebie patrzyli w zdumieniu głębokim,

To na widzialne z góry Darienu wybrzeże.

Obu tych porównań użył John Keats, chcąc opisać niezwykłe wrażenie, jakie zrobiła na nim lektura Homera w przekładzie Chapmana. Pisząc na początku XIX wieku, wiedział o odkryciu Urana, a także czterech planetoid, uczeni w piśmie spierają się aż do dziś o stosowność drugiego porównania, bowiem słynny awanturnik, Hernán Cortés, nie miał nic wspólnego z odkryciem Przesmyku Panamskiego. Nie pownniśmy jednak traktować poetów niczym Wikipedii.

Największym naukowym szokiem XVII stulecia było odkrycie nieba teleskopowego: rzeźby powierzchni Księżyca (wedle szkolarzy miała ona być gładka jak szlifowana przez jubilera kula), tysięcy gwiazdek niewidzialnych gołym okiem (po co właściwie Bóg je stworzył?), plam na Słońcu (przecież, uczynione z eteru, powinno być niezmienne i świetliste), a także czterech satelitów Jowisza. Odkrycia te uczyniły w niewiele miesięcy ze starzejącego się profesora uniwersytetu w Padwie, florentyńczyka Galileo Galilei, europejską sławę.

Zdumienie współczesnych było tym większe, że teleskop był pierwszym z serii naukowych instrumentów pozwalających dostrzec rzeczy dotąd ukryte i niewidzialne. Dziś dobrze wiemy, że pełno jest wokół nas rozmaitych rodzajów niewidzialnego promieniowania i że czułe przyrządy mogą rejestrować światło tak słabe, iż niewidoczne dla oka. Świat przedgalileuszowy był taki, jaki jawi się zmysłom: skoro śnieg jest biały, to znaczy, że przysługuje mu taka barwa. Dla nas jest to kwestia odbijania pewnych długości fal i pochłaniania innych. Przedmioty nie są same z siebie białe ani twarde, ani pachnące – wszystko to są reakcje naszych zmysłów na pewne sygnały ze świata zewnętrznego.

W 1609 roku Galileusz dowiedział się o przyrządzie zbudowanym z soczewek i przybliżającym obrazy dalekich przedmiotów. Pierwsze instrumenty tego rodzaju skonstruowali rzemieślnicy w Holandii i wkrótce różni przedsiębiorczy jegomoście krążyli po Europie, starając się sprzedać korzystnie owe wynalazki. Galileusz także potrafił szlifować soczewki, różnił się wszakże od rzemieślników systematycznością podejścia i rozległością horyzontów. Dzięki pierwszej szybko zaczął budować coraz lepsze przyrządy, powiększające dwadzieścia, a nawet trzydzieści razy. Dzięki drugiej znalazł naukowe zastosowanie nowego wynalazku, umiał go też lepiej sprzedać niż owi wędrowni przekupnie. To, że wynalazek nie był jego autorstwa, nie miało tu żadnego znaczenia.

Sprzedał go zresztą dwa razy. Pierwszy raz senatowi Wenecji (do której należał uniwersytet w Padwie). Republika żyjąca z handlu i piractwa była zainteresowana przyrządem z daleka pozwalającym ustalić, jaki okręt zbliża się do nas. Galileusz przeprowadził nawet dla dostojników pokaz działania swego przyrządu z dzwonnicy San Marco. Widzieli przez niego nie tylko Lizza Fusina i Chioggię, ale nawet wieżę i kopuły bazyliki Santa Giustina w Padwie, w Murano zaś – ludzi wchodzących i wychodzących z kościoła San Giacomo. Sukces ten zaowocował listem Galileusza do doży z prośbą o podwyżkę. Otrzymał podwyżkę pensji do 1000 dukatów rocznie i gwarancję dożywotniego zatrudnienia. Jak się zdaje, uczony nie był w pełni zadowolony, może dlatego że władze zastrzegły się, iż dalszych podwyżek już nie będzie. Galileusz zaczął myśleć o powrocie do Florencji i do tego przydały się odkrycia teleskopowe, a przede wszystkim odkrycie księżyców Jowisza. Uczony zaproponował bowiem nazwać je gwiazdami medycejskimi, od nazwiska rodu panującego w jego mieście. Cztery gwiazdy miały odpowiadać czterem braciom. Ewentualnie mogły być nazwane cosmici – od panującego Kosmy Medyceusza. Przyjęta została pierwsza propozycja, uczony otrzymał we Florencji także 1000 dukatów rocznie, ale że dukaty florenckie zawierały siedem lirów, a nie pięć, jak weneckie, była to podwyżka o 40%. Co więcej, uwolnić się miał na zawsze od nauczania. Ceną było przyjęcie roli dworzanina, kogoś w rodzaju szczególnie cenionego błazna.

Rękopis Galileusza znajdujący się w Ann Arbor. U góry znajduje się szkic listu do doży z sierpnia 1609 roku, na dole kartki mamy zapis pierwszych obserwacji księżyców Jowisza w styczniu (gennaio) 1610, a także (w prawym dolnym rogu) szkice układu księżyców z góry.

W liście pisanym 7 stycznia 1610 roku uczony informuje, że planety wyglądają jak małe tarczki, gwiazdy natomiast nie zmieniają swego wyglądu. Ponieważ Jowisz widoczny był już w grudniu, kiedy Galileusz obserwował zmieniający się z nocy na noc, wraz z przesuwaniem cienia, krajobraz Księżyca, więc przypuszcza się, że tej nocy przyrząd Galileusza sprawował się lepiej – on sam pisze, że aby uzyskać ostrzejszy obraz, trzeba obiektyw przysłonić. Soczewki ówczesne były marnej jakości, zresztą gdyby nawet ich powierzchnie były idealnie sferyczne, wady optyczne takie, jak aberracja sferyczna i chromatyczna, ograniczały jakość obrazów. Ograniczenie się do promieni przyosiowych poprawiało sytuację, kosztem wielkości pola widzenia i jasności obrazu.

W tym samym liście uczony odnotowuje pewną osobliwość w pobliżu Jowisza znajdowały się trzy gwiazdki ułożone w jednej linii.

* * O *

(tutaj i poniżej rysunki z książki Galileusza zestawione są ze współczesnymi obliczeniami położeń czterech księżyców wg Jovian Moons Applet)

Nazajutrz sytuacja się zmieniła:

O * * *
Galileusz wywnioskował, że Jowisz przesunął się na wschód (na rysunku na lewo) względem gwiazdek. Było to o tyle dziwne, że powinien w tym okresie poruszać się na zachód. Uczony zapisał nawet, że planeta porusza się w przeciwnym kierunku, „niż przyjmują kalkulatorzy”. Może zdał sobie sprawę, że wyjaśnienie takie raczej jest niemożliwe: widoczne ruchy planet były w ogólnych zarysach prawidłowo opisane przez takich „kalkulatorów”, jak Ptolemusz czy Kopernik, i raczej nie należało tu oczekiwać niespodzianek. Następny wieczór był pochmurny, 10 stycznia natomiast sytuacja przedstawiała się następująco:

* * O
Uczony uznał, że najbardziej na zachód wysunięta gwiazdka została zasłonięta przez tarczę Jowisza. Nazajutrz, 11 stycznia, nadal było widać dwie gwiazdki na wschód od Jowisza:

* * O
Były one teraz bardzo blisko siebie, a bliższa planety była znacznie słabsza od drugiej, podczas gdy w poprzednie wieczory wszystkie trzy miały mniej więcej taką samą jasność. „Wydaje się stąd, że wokół Jowisza są trzy inne gwiazdy błędne, niewidziane przez nikogo aż do tej pory” (gwiazdy błędne, czyli ruchome – było to określenie planet, które przesuwają się na tle gwiazd). Dwa dni później Galileusz zaobserwował cztery gwiazdki obok Jowisza:

* O * * *


Stało się jasne, że odkrył coś naprawdę nowego: cztery planety krążące wokół Jowisza niczym Jowisz i reszta planet wokół Słońca. Postanowił swoje obserwacje jak najprędzej ogłosić drukiem, zdając sobie sprawę, że
odkrycie satelitów przez innych obserwatorów jest tylko kwestią czasu.

Książka, Sidereus Nuncius („Nuncjusz gwiezdny”), ukazała się w marcu, przynosząc Galileuszowi sławę i posadę we Florencji. Oznaczało to także zerwanie z Wenecjanami urażonymi takim traktowaniem. Niektórzy sądzą, że Galileusz zaczął już wtedy myśleć o propagowaniu kopernikanizmu. W każdym razie miniatura Układu Słonecznego: Jowisz i jego księżyce była dla niego silnym argumentem psychologicznym za heliocentryzmem.

Odkrycia teleskopowe mogły zostać dokonane przez każdego, ale to Galileusz potrafił szybko zbudować odpowiednie przyrządy. Jeszcze ważniejsze okazało się jego przygotowanie mentalne: już dawno sądził, że nauka arystotelesowska  nie odpowiada rzeczywistości, teraz dzięki swemu przyrządowi miał nowe i niespodziewane argumenty przeciwko tradycyjnemu obrazowi świata. Potrafił je elokwentnie przedstawić i opisać, patrzenie nie jest prostą i jednoznaczną czynnością. Dostrzegamy zawsze tylko to, do czego jesteśmy jakoś wcześniej przygotowani. Księżyce Jowisza w tym samym praktycznie czasie zaobserwował Simon Marius (proponował je nazwać „Gwiazdami Brandenburskimi” – miał innych patronów). Prawdopodobnie jednak dopiero po książce Galileusza zrozumiał on, co właściwie zobaczył, a mianowicie: księżyce krążące wokół innej planety. Marius nie interpretował swych obserwacji w duchu heliocentrycznym, po prostu uzupełnił tradycyjny ptolemeuszowy obraz świata o cztery nowe obiekty. W tym ujęciu zamiast wybuchu rewolucji mielibyśmy mokry kapiszon.

Newton na plaży, Einstein w bibliotece

Einstein miał w swoim gabinecie w Berlinie trzy portrety: Newtona, Faradaya i Maxwella. Była to, rzec można, historia fizyki w trzech portretach: ojca założyciela nowożytnej fizyki i dwóch uczonych, eksperymentatora i teoretyka, odpowiedzialnych za koncepcję pola elektromagnetycznego. Einstein zbudował na tej podstawie teorię pola grawitacyjnego jako krzywizny czasoprzestrzeni, a resztę życia poświęcił głównie na nieudane próby matematycznego ujednolicenia Maxwellowskiego elektromagnetyzmu z grawitacją – miała to być słynna Einheitliche Feldtheorie: jednolita teoria pola.

Nic dziwnego, że z perspektywy wieków pracę Newtona postrzegał Einstein jako swego rodzaju raj dzieciństwa. Pisał o nim:

Szczęśliwy Newton, szczęśliwe dzieciństwo nauki! Ten, kto znajdzie czas i spokój ducha, by przeczytać tę książkę [Optics], przeżyje jeszcze raz cudowne zdarzenia, których wielki Newton doświadczył w swych młodych latach. Natura była dla niego niczym otwarta księga, której litery odczytywał bez trudności. Koncepcje, których używał, by zredukować materię egzystencji do uporządkowanego ładu, zdawały się samorzutnie wypływać z samego doświadczenia, z pięknych eksperymentów, które ułożył po kolei jak zabawki i opisał z czułą dbałością o szczegóły. W jednej osobie złączył się tu eksperymentator, teoretyk, mechanik, a także, co nie najmniej ważne, artysta w sposobie wykładu.

Niewykluczone, że Einstein natrafił gdzieś na słynny cytat z Newtona:

Nie wiem, kim się wydaję dla świata, ale sam sobie wydawałem się jedynie chłopcem igrającym na brzegu morza, który zabawia się, znajdując od czasu do czasu gładszy kamyk albo muszlę ładniejszą od innych, podczas gdy wielki ocean prawdy leżał nieodkryty przede mną.

Ten obraz dziecka na plaży zupełnie nie pasuje do innych wypowiedzi Newtona. Nie mamy nawet pewności, czy uczony widział  kiedykolwiek morze. Jako dziecko żył od morza daleko, a potem mieszkając w Londynie, niewiele się poruszał i nigdy bez określonego celu. Zabawa na plaży nie mogła się więc odnosić do jego własnych wspomnień, jako stary kawaler nie brał też udziału w życiu wielopokoleniowej rodziny. Wypowiedź tę, pochodzącą ponoć z ostatnich lat życia uczonego, przekazał Andrew Michael Ramsey, który jednak przebywał w tym czasie we Francji, a do Anglii wrócił trzy lata po śmierci Newtona. Mógł ją oczywiście od kogoś usłyszeć i zapisać jako uderzającą, legenda Newtona była już wtedy bardzo żywa, więc z pewnością zwracano uwagę na wszystko, co mogło od niego pochodzić. Nie ma jednak żadnego innego źródła, które by przekazało taką bądź zbliżoną wypowiedź uczonego.

Nie sądzę też, aby Newton skłonny był porównywać swoją pracę do dziecinnej zabawy. Dla nas zabawa taka jest uczeniem się świata, przejawem kreatywności, którą dorośli często tracą z wiekiem, skłonni jesteśmy widzieć w dzieciństwie utracony raj. Inaczej w czasach Newtona, gdy starano się z dzieci uczynić miniaturowych dorosłych i do zachowania dzieci przykładano miary moralne i religijne dorosłego życia. Dzieciństwo służyło właściwie temu, by jak najszybciej z niego wyrosnąć, stając się świadomym i odpowiedzialnym członkiem wspólnoty społecznej i religijnej. Newton był człowiekiem surowo religijnym, purytaninem, który niechętnie patrzył na wszelkie marnowanie czasu i wszystko robił zawsze w jakimś „poważnym” celu. Porównanie do dziecięcej zabawy odbierałoby jego pracy naukowej znaczenie. Podobny obraz dziecka na plaży pojawia się u Johna Miltona, purytańskiego poety, w poemacie Raj odzyskany. Szatan jest w nim umysłem zgłębiającym książkowe mądrości i przeciwstawiony jest mu Jezus, który posiadł tę madrość, która jest najważniejsza. Jezus mówi tam do Szatana m.in.

Kto czyta nieustannie a w swoje czytania
Nie wprowadza rownego lub wyższego zdania
I nie ma DUCHA błądzi kto zaś z DUCHEM czyta
Nie potrzebuje Greka mieć za Erudyta
Słuchacz Pogańskich Nauk bez pomocy DUCHA
Musi grążnąć w ciemnościach choć Doktorów słucha
Niepewny zawsze traci prac swoich pożytki
Głęboko biegły w książkach a sam w sobie płytki
Dowcip otruty jadem lub niedowarzony
Co fraszki lub świecidła zbiera z każdey strony
Warte gębki on je ma za godne Krytyki
Jak dziecko zbierające na piaskach krzemyki.

[przeł. Jacek Przybylski, Kraków 1792]

Książkowe mądrości warte są gąbki – tzn. dziś byśmy powiedzieli warte są wciśnięcia klawisza Delete (na tabliczkach do pisania stosowano gąbkę do ścierania treści, stąd tabula rasa – czysta tabliczka u Johna Locke’a, współczesnego Newtonowi). Nie wiemy, czy Newton czytał Miltona, mógł go przeglądać z powodu bliskości religijnej, choć wiemy, że uczony za poezją nie przepadał, a może lepiej powiedzieć: nie miał do poezji słuchu i wyobraźni. Isaac Newton nie lubił metafor, starał się przekształcić symbole w jakieś konkrety, jak u czytanych przez siebie alchemików. Użycie takiego miltonowskiego porównania byłoby oznaką dystansu starego uczonego wobec zajęć swej młodości i wieku średniego, psychologicznie wydaje się jednak niewiarygodne.

Swe zajęcia traktował Newton raczej jako obcowanie ze Stwórcą niż igraszkę. W tym punkcie spotykał się z Einsteinem, którego stosunek do religii instytucjonalnych był niezbyt przychylny, choć nie uważał się także za ateistę. W roku 1929 na pytanie „Czy wierzy pan w Boga?” odpowiedział:

Nie jestem w każdym razie ateistą. Ale to kwestia nie na nasz ograniczony rozum. Jesteśmy w sytuacji małego dziecka, które znalazło się w olbrzymiej bibliotece wypełnionej książkami w wielu językach. Dziecko wie, że ktoś je musiał napisać. Ale nie wie, jak, i nie zna języków, w których zostały spisane. Przeczuwa, że wszystkie te tomy ustawiono w jakimś porządku, ale nie ma pojęcia, w jakim. Taka też jest moim zdaniem sytuacja nawet najinteligentniejszych ludzi w obliczu Boga. Widzimy cudownie urządzony wszechświat, działający wedle pewnych zasad – tyle że bardzo słabo rozumiemy te zasady. (przeł. J. Skowroński)

Także ten obraz dziecka w niezrozumiałej bibliotece pochodzi tylko z jednego niezbyt wiarygodnego źródła. Jest nim występujący w roli dziennikarza George Sylvester Viereck, który przeprowadził wywiady z wieloma sławnymi ludźmi, np. z Freudem i Hitlerem. Viereck [„Czworokąt”] – nazwisko jak najbardziej odpowiednie dla kogoś, kto rozmawia z odkrywcą geometrycznej natury grawitacji, był nieślubnym wnukiem cesarza Wilhelma II i choć wychowywał się w Stanach Zjednoczonych czuł zawsze słabość do niemieckiego militaryzmu, co zaowocowało nawet kilkuletnią odsiadką w amerykańskim więzieniu.

 

 

Sny Kartezjusza (10/11 listopada 1619)

Z okazji czterechsetlecia snów Kartezjusz pozwalam sobie powtórzyć wpis sprzed ponad trzech lat.

Ludzie, a także i całe społeczeństwa robią sobie czasem wakacje od rozumu i popełniają błędy, mimo iż wiedzą, że postępują źle i nierozsądnie. Przedkładają jednak chwilowe upojenie bliskością innych, podobnie czujących, nad ustawiczny wysiłek chłodnego namysłu. Nie pomagają wówczas żadne argumenty ani statystyki. Na ekspertów patrzy się jak na błaznów bądź płatnych zdrajców. Ludzi mądrych uważa się za głupców albo sklerotyków. Największe głupstwa, a nawet szaleństwa prowadzące do zbrodni, zaczynały się wśród powszechnego entuzjazmu. Pod koniec czerwca 1914 roku serbski nacjonalista zastrzelił arcyksięcia Franciszka Ferdynanda i jego żonę Zofię. Uchroniło to być może Puszczę Białowieską przed wytrzebieniem zwierzyny (arcyksiążę był fanatykiem myślistwa), lecz incydent ten uruchomił międzynarodowe domino: wszyscy wszystkim zaczęli stawiać jakieś ultymatywne żądania i wypowiadać wojnę. Latem 1914 roku w całej Europie żegnano na dworcach kolejowych radosnych młodzieńców udających się na krótką – tak się wszystkim zdawało – męską przygodę wojenną.

 

Jesienią roku 1918 wracało ich o siedemnaście milionów mniej i nikt się już nie cieszył: ani zwycięzcy, ani pokonani. W roku 1933 entuzjazm milionów Niemców zagłuszył wszelkie wątpliwości i skrupuły, jakie powinien wzbudzić sposób rządzenia nazistów, jak i sama osoba ich paranoicznego Führera. Cierpieli zresztą „jedynie” Żydzi, komuniści, homoseksualiści i liberałowie – nie było się więc czym przejmować. Dumny naród niemiecki mógł wreszcie wziąć odwet na pogardzanej Europie. Nastrój udzielał się zresztą wszystkim, nawet w biednej, słabej i pełnej analfabetów Polsce wykrzykiwano, że nie oddamy ani guzika – i też bijano Żydów, bo byli bezbronni.

Być może znowu wchodzimy w okres „historii spuszczonej z łańcucha” i tańca na wulkanie. Ostatecznie okresy spokoju i choćby względnego dostatku nigdy nie były dniem powszednim historii, częstsze były plagi, wojny, choroby, zamieszki i głód. Niektórzy próbowali wśród powszechnego zamętu robić coś pożytecznego. Na przełomie roku 1916 i 1917 przebywający na froncie wschodnim astronom Karl Schwarzschild napisał dwie niezmiernie ważne prace na temat Einsteinowskiej teorii grawitacji. Rozwiązanie Schwarzschilda dotyczyło pola grawitacyjnego sferycznej masy, np. gwiazdy. Ani Einstein, ani Schwarzschild, który kilka miesięcy później umarł, nie rozumieli wówczas, jak wielkie znaczenie ma owo rozwiązanie – opisuje ono bowiem czarną dziurę, jeden z najosobliwszych obiektów w przyrodzie. Młody lekarz Tadeusz Żeleński, zajmował się w roku 1917 przekładaniem Kartezjusza na polski, starając się zaszczepić rodakom coś z francuskiej klarowności myślenia i prostej elegancji stylu.

 

Nie zapomnę tego wrażenia… Było to rok temu, w lecie, z początkiem czwartego roku wojny. Siedziałem w mojej izdebce dyżurnego lekarza wojskowej stacji opatrunkowej, i korzystając z chwilowej bezczynności, pracowałem nad pierwszymi rozdziałami tej książki. Tuż prawie pod oknami ochoczo rżnęła orkiestra, odprowadzając kilka marszkompanii, jadących, w ślicznych nowych butach, na „włoski front”. Na fali trywialnej melodii, myśl Descartes’a pędziła wartko, skocznie, radośnie, tak iż ledwo piórem mogłem jej nadążyć. Doznawałem szczególnego uczucia. Nigdy nie mam zbyt mocnego przeświadczenia o rzeczywistości zewnętrznego świata – w tej chwili miałem go mniej niż kiedykolwiek…

Rozprawa o metodzie ukazała się wraz z końcem wojny, pod opaską: „Tylko dla dorosłych”. Był to żarcik tłumacza, który chciał w ten sposób dotrzeć do niefilozoficznych czytelników. Rozmyślania swe Kartezjusz rozpoczął w roku 1619, podczas zupełnie innej wojny. Także i tamta wojna rozpoczęła się od zdarzenia dość małej wagi: oto z zamku na Hradczanach w Pradze rozeźleni protestanci wyrzucili przez okno dwóch przedstawicieli cesarza, którzy nie chcieli się zgodzić na budowanie kościołów, mimo że formalnie zagwarantowana była swoboda wyznania. Nieszczęśni wysłannicy przeżyli upadek z wysokości kilkunastu metrów – wedle katolików stało się to dzięki aniołom, które działając w czasie rzeczywistym, złagodziły skutki grawitacji, natomiast nieokrzesani protestanci przypisywali ten efekt kupie gnijących odpadków, nagromadzonych pod oknami wielkiej sali jadalnej zamku. Wojna nie zakończyła się żadnym miękkim lądowaniem, toczyła się przez trzydzieści lat, pustosząc znaczną część środkowej Europy. W zasadzie było to starcie dwóch głównych odmian chrześcijaństwa walczących o to, która z nich bliższa jest nauce Jezusa Chrystusa: czy katolicy przechowujący tradycję, w której niezmienność święcie wierzyli, czy protestanci, starający się samodzielnie zgłębiać tekst Pisma św. i odrzucający takie magiczne atrybuty religii, jak święte obrazy, relikwie, czy kult świętych. Kiedy obie strony wierzą niezachwianie we własne racje, tylko wyczerpanie zasobów może położyć kres konfliktowi. O początkach swoich rozmyślań pisał Kartezjusz następująco:

Byłem wówczas w Niemczech, dokąd powołały mnie wojny, które ciągną się tam jeszcze. Kiedy wracałem z koronacji cesarza [Ferdynanda II we Frankfurcie we wrześniu 1619 r.] do armii, początek zimy zatrzymał mnie na kwaterze, gdzie, nie znajdując żadnego towarzystwa, które by mi odpowiadało, i nie mając zresztą, na szczęście, trosk ani namiętności, które by mnie mąciły, siedziałem przez cały dzień zamknięty sam w ciepłej izbie, za jedyną rozrywkę zabawiając się z własnymi myślami. Jedną z pierwszych myśli było spostrzeżenie, że często dzieła złożone z rozmaitych części i wykonane ręką rozmaitych mistrzów mniej są doskonałe niż te, nad którymi pracował tylko jeden człowiek. Tak widzimy, że budowle, które jeden architekt podjął i wykonał, są zazwyczaj piękniejsze i lepiej rozmieszczone niż te, które wielu ludzi starało się skleić, posługując się starymi murami zbudowanymi w innych celach. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Kartezjuszowi marzyła się więc nauka będąca dziełem jednego autora, jak poemat albo dzieło historyczne. Po części wynikało to chyba z jego temperamentu, trochę może ze swoistej wielkopańskiej wyniosłości w sferze intelektu – nie dopuszczał bowiem myśli, by ktokolwiek inny mógł dokonać czegoś ważnego w obszarze, który jego samego zajmował. Dlatego np. lekceważył dokonania Galileusza na polu mechaniki ani nie uważał za stosowne wspomnieć o tym, co zawdzięczał Willebrordowi Snellowi (prawo załamania światła) albo Isaakowi Beeckmanowi. Francis Bacon wyobrażał sobie naukę jako wielkie biuro patentowe użytecznych wynalazków, Kartezjusz sądził, że liczą się wybitne jednostki i ich myśli, a więc raczej konstrukcja niż detale. Znalazł naśladowców, pycha filozofów tworzących systemy osłabnąć miała dopiero w XX wieku. Podział na naukę i humanistykę przebiega zresztą do dziś w tym samym miejscu: jeśli ważniejszy jest indywidualny styl autora niż to, co mówi, i jeśli może on wybierać z tradycji dowolne elementy, które samodzielnie interpretuje, to mamy do czynienia z humanistyką. W nauce rządzą znacznie surowsze reguły: musimy znać ściśle określony kanon uznanej wiedzy (zazwyczaj z drugiej ręki), liczą się natomiast bezosobowe dokonania, dowód matematyczny czy eksperyment geniusza powtórzyć może każdy wykształcony specjalista i stanowi to wręcz warunek, aby praca była akceptowalna. Zapewne dlatego w nauce tak zażarcie toczą się spory o priorytet: inne cechy indywidualne roztapiają się w podręcznikach i z czasem coraz trudniej odróżnić wkład konkretnych uczonych. Kartezjusz miał nadzieję połączyć oba rodzaje działalności i stworzyć gmach wiedzy, którego żaden sceptycyzm nie mógłby zburzyć. Prawda jest tylko jedna, zatem i jej odkrywca w zasadzie musi być jeden, inni skazani są na pisanie gloss i uzupełnień. W listopadzie 1619 roku dwudziestotrzyletni uczony kwaterował w Neuburgu. Był żołnierzem zaciężnym księcia Bawarii, nie bardzo mu zależało na wygranej jednej albo drugiej strony, przedtem służył w Holandii. Czekano na cieplejszą porę roku, by na nowo podjąć działania zbrojne.

Na kwaterze unikał rozmów i pijatyk, którym oddawali się jego kompani, mało wychodził, całymi dniami rozmyślał nad nową podstawą wiedzy. Nie stworzył jej od razu, zapamiętał jednak i zapisał trzy sny, jakie miał w nocy z 10 na 11 listopada 1619 roku. Zarys racjonalnej filozofii objawił się więc w sposób zgoła nieracjonalny, uczony wierzył, że sny mogą być zsyłane przez Boga albo demony, to Stwórca w ostatecznym rachunku miał gwarantować, że wszystko to, co tu widzimy i przeżywamy nie jest tylko jakimś uporczywym sennym majakiem. W pierwszym śnie pojawiły się jakieś zjawy tak straszne, że zmuszony był kroczyć mocno przechylony na lewą stronę, gdyż z prawej strony czuł niezmierną słabość. Zawstydzony sytuacją, młodzieniec spróbował się wyprostować, wtedy jednak zawiał potężny wiatr w formie wiru i okręcił go kilkakroć na lewej nodze. Na swej drodze spostrzegł kolegium (może La Flèche, gdzie się uczył?) i zapragnął się w nim schronić. Miał zamiar dotrzeć do kościoła, aby się pomodlić. Minął znajomą osobę, lecz jej nie pozdrowił; kiedy chciał naprawić ten lapsus, nie mógł się cofnąć, ponieważ znowu zaczął wiać silny wiatr w kierunku kościoła. Spotkał też innego znajomego, który przekazał mu dla pana N. zamorski owoc, przypominający melona. Wszyscy inni widziani we śnie poruszali się i zachowywali normalnie, jedynie on jeden doświadczał trudności w utrzymaniu równowagi. Niebawem się ocknął i spostrzegł, że leży na lewym boku. Sądząc, że sen może być dziełem złego demona, uczony obrócił się na prawy bok i jął się modlić, pamiętając, iż w oczach Boga winny jest wielu grzechów, które popełniał w skrytości, tak aby ludzie ich nie widzieli. Po mniej więcej dwóch godzinach rozmyślań nad dobrem i złem zasnął znowu. We śnie usłyszał wielki huk, który wziął za grzmot pioruna. Natychmiast obudził się ze strachu i dostrzegł mrowie drobnych iskierek ognia wypełniających pokój. Zdarzało mu się już wcześniej doświadczać takiego zjawiska, teraz jednak zdecydowany był zaobserwować jego przyczyny i zamykając oraz otwierając oczy, śledził swoje wrażenia. Filozoficzny namysł rozproszył lęk i uczony zasnął po raz trzeci. Tym razem nie było się czego bać. Znalazł na stole książkę, o której nie pamiętał, by ją wcześniej tam położył. Otworzył ją, stwierdzając zaś, że to słownik, ucieszył się, ponieważ książka mogła się przydać. W tej samej chwili odkrył też obok inną książkę, także dla niego nową, nie mając pojęcia, skąd się wzięła. Była to antologia Corpus poetarum, otwarła mu się na wierszu zawierającym słowa: Quod vitae sectabor iter? (Jaką drogę życia wybiorę?). W tej samej chwili spostrzegł nieznanego mu męża, który wręczył mu, zachwalając jako znakomity, wiersz zaczynający się od słów Est et Non (Tak i nie). Zaczęli rozmawiać o tym wierszu, w którym Kartezjusz rozpoznał jedną z idylli Auzoniusza. Po chwili książki i dziwny interlokutor rozpłynęli się, a uczony, wciąż się nie budząc, uznał, że śni; ów słownik oznacza wszelką wiedzę zgromadzoną w jednym miejscu, antologia poezji, Corpus poetarum zaś – filozofię oraz mądrość złączone w jedno.

Wierzył bowiem, że wcale nie należy się dziwić, iż poeci, nawet bawiąc się płochymi rzeczami, wypowiadają wiele zdań poważniejszych, bardziej sensownych i lepiej wyrażonych niż to, co mówią filozofowie. Przypisywał to boskiemu natchnieniu oraz sile wyobraźni, która wydobywa zarodki mądrości (zawarte w umyśle każdego człowieka niczym iskry w krzemieniu) z większą łatwością i błyskotliwiej, niż czyni to rozum filozofów.

Rozmyślał też (ciągle we śnie) nad słowami Quod vitae sectabor iter? Po czym zbudził się, nie przestając się zastanawiać nad symboliką swoich snów. Sen trzeci, przechodzący w jawę, zapowiadać miał życie filozofa, który przezwycięży pokusy płynące z różnych stron. Nazajutrz filozof modlił się gorąco do Boga, by zechciał mu odsłonić swoją wolę, oświecić go i prowadzić w poszukiwaniu prawdy. Potem zwrócił się do Matki Bożej, polecając jej tę sprawę, najważniejszą w swym życiu, złożył też ślub, że przy okazji podróży do Italii, którą planował w najbliższym czasie, odbędzie pielgrzymkę do Loreto. Później zobowiązał się nawet, że od Wenecji odbędzie tę pielgrzymkę pieszo. Religijno-filozoficzny entuzjazm po kilku dniach opadł. Ostatecznie filozof nie wybrał się tej zimy do Italii. Nie znaczy to bynajmniej, że kiedy później ochłonął, przestał wierzyć w natchnienie płynące z owych snów. Epizod ten odegrał, jak się zdaje, ważną rolę w duchowym rozwoju Kartezjusza, choć trudno treść owych snów powiązać z jakimiś uchwytnymi etapami jego poglądów. Najprawdopodobniej rzecz dotyczy pewnych głębszych skojarzeń, poetyckiej strony filozofii, dopiero później umiał ją wyrazić w terminach jasnych, jak sądził, dla każdego człowieka obdarzonego rozsądkiem.

Wziąwszy pod rozwagę, iż zasady tych nauk winny być wszystkie zaczerpnięte z filozofii, w której nie znajdowałem jeszcze pewnych podstaw, pomyślałem, iż trzeba mi przede wszystkim starać się ustalić takowe, i że – wobec tego, iż jest to rzecz najważniejsza w świecie i w której najbardziej należało się obawiać pośpiechu i uprzedzenia – nie powinienem podejmować dzieła tego wprzódy, aż osiągnę wiek o wiele dojrzalszy niż dwadzieścia trzy lat, które wówczas liczyłem, i aż zużyję wiele czasu na przygotowanie się do tych zadań, tak wykorzeniając z umysłu wszystkie błędne mniemania, jakie przyjąłem weń przed tym czasem, jak też gromadząc rozmaite doświadczenia, aby zbierać materię dla moich rozumowań i ćwicząc się ciągle w metodzie, jaką obrałem, aby umocnić się w niej coraz więcej. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Jeśli wierzyć wspomnieniom filozofa, rozpoczął on wtedy swego rodzaju eksperyment poznawczy, traktując życie i jego przypadki jako spektakl odbywający się na jego oczach i dostarczający materiału do przyszłej pracy filozoficznej. Ustalił sobie na okres przejściowy pewne reguły postępowania, ponieważ nie można zanegować wszystkiego jednocześnie. Sceptyczny po to, aby się ze sceptycyzmu raz na zawsze wydobyć, traktował te lata wędrówki jak prolog.

Upewniwszy się w ten sposób co do tych zasad i odłożywszy je na stronę wraz z prawdami wiary, które zawsze były na pierwszym miejscu w moich wierzeniach, osądziłem, iż, co do reszty mniemań, mogę swobodnie przystąpić do ich uprzątnięcia. Otóż, spodziewałem się lepiej z tym uporać, obcując z ludźmi, niż pozostając dłużej zamknięty w komorze, gdzie począłem wszystkie te myśli: zima tedy jeszcze niezupełnie dobiegła końca, a ja już puściłem się w drogę. I przez całe następne dziewięć lat czyniłem nie co innego, jak tylko tłukłem się tu i tam po świecie, starając się być raczej widzem niż aktorem we wszystkich komediach, jakie się na nim odgrywa. Rozważając w każdym przedmiocie szczególnie to, co mogłoby go uczynić podejrzanym i dać nam sposobność do omyłki, wykorzeniałem równocześnie z mego umysłu wszystkie błędy, jakie mogły się weń wprzódy wśliznąć. Nie iżbym w tym naśladował sceptyków, którzy wątpią, aby wątpić, i lubują się zawsze w niezdecydowaniu; przeciwnie, cały mój zamiar dążył tylko ku temu, aby się upewnić. Odrzucałem ruchomą ziemię i piasek, aby natrafić na skałę lub glinę. Udawało mi się to, jak sądzę, dość dobrze, ile że, starając się odkryć fałszywość lub niepewność twierdzeń, jakie rozpatrywałem, nie za pomocą słabych przypuszczeń, ale za pomocą jasnych i pewnych rozumowań, nie spotykałem wśród nich tak wątpliwego, z którego bym nie wyciągnął jakiejś dość pewnej konkluzji, choćby tej właśnie, iż nie zawiera ono nic pewnego. I jako burząc stare domostwo, zachowuje się zazwyczaj gruz, aby się nim posłużyć ku zbudowaniu nowego, tak niwecząc wszystkie mniemania, które osądziłem jako źle ugruntowane, czyniłem rozmaite spostrzeżenia i nabywałem mnogich doświadczeń, które posłużyły mi później ku zbudowaniu pewniejszych. Co więcej, ćwiczyłem się wciąż w metodzie, jaką sobie przepisałem; poza tym bowiem, iż starałem się na ogół prowadzić wszystkie moje myśli wedle reguł, zachowywałem sobie, od czasu do czasu, kilka godzin, które obracałem osobliwie na ćwiczenie się w trudnościach matematycznych lub nawet także w niektórych innych, które mogłem niejako upodobnić do matematycznych, odłączając je od zasad wszystkich nauk, które mi się nie zdawały dość pewne, jako ujrzycie, iż uczyniłem w wielu wyłożonych w tymże tomie. I tak, nie żyjąc na pozór w inny sposób niż ci, którzy, nie mając innego zadania, jak tylko pędzić życie lube a niewinne, starają się oddzielić przyjemności od błędów, i którzy, aby się cieszyć swoim wczasem nie nudząc się, zażywają wszystkich godziwych rozrywek, nie zaniedbywałem statecznego posuwania się w moim zamiarze i zapuszczania się w poznanie prawdy, być może więcej, niż gdybym był tylko czytał książki lub obcował z uczonymi. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Niewiele wiemy o tych fascynujących Wanderjahre filozofa. Rok po nocy snów uczestniczył w oblężeniu i zdobyciu Pragi. Nie jest jasne, jaki był jego osobisty udział w walkach, ważnych dla losów Czech, wtedy to bowiem, w bitwie na Białej Górze, czescy protestanci ponieśli sromotną klęskę, która przesądziła o rządach Habsburgów na kilka wieków. Przywódcy powstania przeciw cesarzowi zostali ścięci, a ich głowy zatknięte na moście przez wiele lat stanowiły przestrogę dla potencjalnych buntowników. Palatyn reński, Fryderyk V, „zimowy król” Czech, uciekł, zabierając jedynie trochę klejnotów. Parę lat wcześniej na uroczystościach jego zaślubin z Anną Stuart odegrano Burzę Williama Shakespeare’a. Pochłonięty mocarstwowymi rojeniami młodzik, nie zwrócił zapewne żadnej uwagi na słowa Prospera:

Aktorzy moi, jak ci powiedziałem,

Były to duchy; na moje rozkazy

Na wiatr się lekki wszystkie rozpłynęły.

Jak bezpodstawna widzeń tych budowa,

Jasne pałace i wieże w chmur wieńcu,

Święte kościoły, wielka ziemi kula,

Tak wszystko kiedyś na nic się rozpłynie,

Jednego pyłku na ślad nie zostawi,

Jak moich duchów powietrzne zjawisko.

Sen i my z jednych złożeni pierwiastków;

Żywot nasz krótki w sen jest owinięty. —

 

 

Johannes Kepler: Jak działa ludzkie oko? (1602-1604)

Jesienią roku 1602 Johannes Kepler, „matematyk” cesarza Rudolfa II (czyli nadworny astronom), bronić się musiał przed posądzeniami o lenistwo. Chodziło o zadanie obliczenia nowych tablic astronomicznych na podstawie obserwacji zmarłego niedawno Tychona Brahego. Zięć duńskiego astronoma, Franz Gansneb Tengnagel, parający się amatorsko astronomią, starał się przejąć to zadanie, ale głównie chodziło mu w tym o cenny zbiór obserwacji teścia, za które oczekiwał zapłaty u dworu. Tengnagel nie potrafił obliczać żadnych tablic, a Kepler był z pewnością jedynym uczonym zdolnym do zreformowania astronomii tak, żeby tablice owe były coś warte. Broniąc się przed zarzutami, Kepler zobowiązał się do napisania dwóch dzieł. Jedno z nich, Komentarze o ruchach Marsa, gotowe miało być na najbliższą Wielkanoc, drugie zaś – Optyczna część astronomii, już za osiem tygodni.

Prace te okazały się znacznie trudniejsze, niż to się zawsze optymistycznemu Keplerowi wydawało: książkę optyczną skończył dopiero pod koniec następnego roku (ukazała się w roku 1604), książka astronomiczna, Astronomia nova, ukazała się dopiero w 1609 roku. Wydłużenie terminów brało się z gruntowności uczonego, który nigdy nie poprzestawał na łatwych osiągnięciach i szedł w swych badaniach dużo dalej, niż potrafili to zrozumieć i zaakceptować jego koledzy. Obie książki były rewolucyjne: optyczna wyjaśniła rolę oka w widzeniu, astronomiczna zawierała odkrycie eliptycznego kształtu orbity Marsa.

Pierwszym zagadnieniem optycznym, którym zajął się Kepler jeszcze w Grazu, było tworzenie się obrazu w ciemni optycznej – camera obscura. Oto jak udało mu się rozwikłać ten problem:

(…) odwołałem się do własnych obserwacji w trzech wymiarach. Umieściłem w górze książkę tak, by zajęła miejsce świecącego ciała. Między nią a podłogą ustawiłem stolik mający wieloboczny otwór. Następnie przeciągnąłem nitkę z jednego rogu książki poprzez otwór aż na podłogę; jej koniec znalazł się na podłodze w takim punkcie, że nitka ocierała się o brzegi otworu; zakreśliłem wytworzone w taki sposób punkty i utworzyłem na podłodze figurę podobną do otworu. Podobnie za pomocą nitki przywiązanej do drugiego, trzeciego i czwartego rogu książki a następnie do pewnej liczby punktów wzdłuż jej krawędzi, na podłodze wynikła z tego pewna liczba zakreślonych figur w kształcie otworu, które razem utworzyły wielką czworokątną figurę kształtu książki.

Bardzo możliwe, że metoda Keplera wzorowana była na procedurach opisanych przez Alberta Dürera w jego traktacie Unterweisung der Messung mit dem Zirkel und Richtscheit („Nauka mierzenia za pomocą cyrkla i liniału”, 1525). Książka Dürera była swego rodzaju praktycznym podręcznikiem geometrii przeznaczonym dla rysowników, architektów i rzemieślników. Posługując się nitkami Kepler ustalił, że każdy punkt przedmiotu jest w ciemni optycznej odwzorowywany na obraz otworu tego urządzenia, a przez nałożenie się takich obrazów otworu tworzy się obserwowany przez nas obraz przedmiotu. W ten sposób, jeśli powiedzmy otwór będzie miał kształt trójkąta, a obserwowanym przedmiotem będzie słońce, to każdy punkt słońca będzie odwzorowany jako trójkąt i z nałożenia się takich trójkątów powstanie ostatecznie obraz słońca, który będzie oczywiście okrągły, a nie trójkątny. Obraz ten będzie także nieco większy i tym bardziej rozmyty, im większa jest średnica otworu. Wyjaśniało to wyniki przeprowadzonych w Grazu obserwacji zaćmienia Słońca. Patrząc bezpośrednio na Słońce widać było wówczas ostro zakończony sierp, natomiast obraz Słońca dawany przez ciemnię optyczną miał zaokrąglone krawędzie. Kepler nie był pierwszym, który zrozumiał sposób działania camera obscura, ale zrobił to niezależnie od innych i pierwszy miał opublikować swoje wyniki.

Panujące wówczas poglądy na widzenie wywodziły się od Alhazena (Ibn al-Hajsama), islamskiego uczonego urodzonego w Basrze mniej więcej wtedy, kiedy Mieszko zaczął myśleć o chrzcie Polski. Światło wedle jego teorii wpadało do oka prostopadle (tylko takie promienie dawały wkład do widzenia), a promienie załamywały się potem tak, aby powstał zmmniejszony obraz zewnętrznego przedmiotu. Promienie świetlne nie przecinały się wewnątrz oka, gdyż wtedy powstałby obraz odwrócony i widzielibyśmy wszystko „do góry nogami”. Obraz był także mały, mógł się więc zmieścić w nerwie i przedostać do mózgu – wyobrażano go sobie dość dosłownie jako mały obrazek przenoszony aż do mózgu.

Rysunek za Davidem C. Lindbergiem, Theories of Vision from Al-Kindi to Kepler.

W ciągu kilkudziesięciu lat drugiej połowy XVI wieku ukazało się sporo książek traktujących o budowie ciała ludzkiego na podstawie przeprowadzanych sekcji, a dzięki wynalazkowi druku oraz drzeworytom wyniki tych badań można było przedstawiać w postaci plansz i rysunków. Kepler korzystał z pracy Felixa Plattera, profesora medycyny z Bazylei, zatytułowanej De corporis humana structura et usu („O budowie i funkcjonowaniu ciała ludzkiego”, 1583), będącej w zasadzie zbiorem plansz anatomicznych z dodanym krótkim komentarzem. Używał także dzieła Anatomia Pragensis („Anatomia praska”) znanego mu osobiście i zaprzyjaźnionego z nim Jana Jesenskiego. Uważano wówczas przewąnie, że soczewka oczna, „humor krystaliczny”, odczuwa bezpośrednio światło i kolor, a ponieważ jest połączona z resztą oka i nerwem ocznym, przekazuje ten obraz dalej. Tymczasem Platter pokazał, że soczewka nie jest połączona z nerwem ocznym i siatkówką. Kwestia ta nie była zresztą jednoznacznie rozstrzygnięta przez anatomów, Jesensky różnił się tu od Plattera i Kepler przedłożył pogląd uczonego z Bazylei nad opinię swego przyjaciela.

Fragment planszy Plattera, Kepler zreprodukował ją w swoim dziele.

W miejsce koncepcji promieni prostopadłych Kepler zaproponował tworzenie się obrazu na siatkówce oka. „Widzenie zachodzi, kiedy obraz całej połowy sfery świata przed okiem (…) tworzy się na czerwonawej powierzchni siatkówki.” Promienie od przedmiotu padające w różnych punktach soczewki oka są przez nią załamywane w taki sposób, że skupiają się w punkt dokładnie na siatkówce, na tylnej ściance oka. Dzięki temu każdy punkt przedmiotu daje punktowy obraz na siatkówce. Wcześniej zbadał tworzenie się obrazu w kulistej soczewce zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie (używając do doświadczeń kulistych szklanych kolb na mocz napełnionych wodą).

Cała ta koncepcja mechanizmu widzenia była pod wieloma względami rewolucyjna. Oko stawało się tylko przyrządem optycznym, zamiast być narządem zmysłów reagującym na swojej zewnętrznej powierzchni na światło. W ten sposób optyka oka stawała się częścią fizyki, podobnie jak dziś optyka aparatu fotograficznego. Część światłoczuła została przesunięta na siatkówkę, tam właśnie miał się wytwarzać obraz i to odwrócony. Był to rzeczywisty obraz, który Kepler nazwał pictura – można by go dostrzec na powierzchni siatkówki, gdyby dało się tam umieścić jakiegoś obserwatora. Kepler nie zamieścił żadnego rysunku tej sytuacji, ale ideę jego teorii dokładnie przedstawia rysunek z dzieła Kartezjusza La Dioptrique z roku 1637. Mamy tam nawet dodatkowego obserwatora oglądającego obraz na siatkówce monstrualnie wielkiego oka.

Tworzenie się obrazu w oku według teorii Keplera. (Rysunek z La Dioptrique Kartezjusza.)

Obraz na siatkówce jest jednak, niestety, odwrócony. Kepler niełatwo pogodził się z tą konsekwencją swojej teorii, pisze, że męczył się bardzo pragnąc wykazać, że promienie raz jeszcze się po drodze przecinają dając ostatecznie obraz prosty. Niezrozumiałe było, czemu nie widzimy wszystkiego do góry nogami. Powstawało też pytanie, jak to się dzieje, że stosunkowo duży obraz na siatkówce zostaje przesłany cienkim nerwem optycznym do mózgu. Teoria Keplera rodziła wyraźne kłopoty dla wciąż zalążkowej fizjologii widzenia. Wyraźnie rozdzielona została jednak część optyczna od części fizjologicznej widzenia: aż do utworzenia się obrazu na siatkówce mamy do czynienia z optyką, a co się dzieje z tym obrazem dalej, to pozostaje już w gestii fizjologów. Co więcej, obrazami rzeczywistymi, takimi jak na siatkówce, można zajmować się w sposób obiektywny: mierzyć ich położenie, rozmiary itd.

Ze ściśle technicznego punktu widzenia Kepler zbudował optykę geometryczną z jej wykreślaniem biegu promieni i szukaniem punktów przecięcia – wszystko to, czego do dziś uczy się w szkołach. Teoria Keplera wymagała rozpatrzenia biegu promieni przez ośrodek o kształcie zbliżonym do kuli. Kepler wykazał, że jeśli kulę taką przesłonimy przesłoną (odgrywającą rolę źrenicy) to będzie ona ogniskować promienie w jakimś punkcie. Będzie więc zachowywać się jak soczewka. Oczywiście taki model kulistego ośrodka z przesłoną nie jest dokładnym przedstawieniem gałki ocznej, ale Kepler argumentował, że zachowuje on najważniejsze cechy rzeczywistej sytuacji i jest wystarczający do jego celów.
Praktyczną konsekwencją pracy Keplera było wyjaśnienie, jak działają okulary korekcyjne. Okulary poprawiające wzrok stosowane były od kilkuset lat, pojawiły się już w XIII wieku, początkowo wytwarzano tylko soczewki wypukłe przeznaczone dla dalekowidzów, zwykle osób starszych (umożliwiło to wielu uczonym kontynuowanie pracy także w starszym wieku). W XV wieku zaczęto także szlifować soczewki wklęsłe korygujące wadę krótkowzroczności u osób młodych. Okulary były z początku przedmiotem zbytku i powodem do dumy dla swych posiadaczy, jak wnosić można choćby z przedstawień w sztuce: głowa kanonika w okularach wyrzeźbiona jest na fasadzie katedry w Meaux niedaleko Paryża (XIV wiek), van Eyck umieścił okulary na swoim słynnym obrazie Madonny kanonika van der Paele. Do tej pory stosowano jednak okulary jako wynalazek czysto praktyczny, nie rozumiejąc istoty ich działania. Praca Keplera otworzyła drogę do naukowego badania kwestii wad wzroku u ludzi. Umożliwiła też kilka lat później zrozumienie, jak działa teleskop astronomiczny.

Ściśle techniczne osiągnięcie dotyczące działania oka miało też ważne konsekwencje poznawcze i filozoficzne. Oto bowiem, używając wzroku, odwołujemy się w istocie do obrazów złożonych w całość przez mózg. Dociera do nas ze świata zestaw plamek, pikseli na siatkówce, które muszą dopiero zostać przetworzone w kształt drzewa albo znajomej twarzy. Wszelkie poznanie jest więc znacznie mniej bezpośrednie, niż to się dotąd wydawało. Cztery wieki później zaczynamy powoli rozumieć, jak z impulsów przewodzonych przez neurony mózg składa wyobrażenie tego, co widzimy. W istocie ostro widzimy tylko za pomocą plamki żółtej, niewielkiego fragmentu siatkówki, połączonego niewielką liczbą neuronów tworzących ciało kolankowate boczne z korą wzrokową. Ścieżka między okiem a mózgiem jest więc bardzo wąska i wciąż omiatamy wzrokiem otoczenie, aby zebrać potrzebne informacje. To, co widzimy, jest głównie kreacją naszego mózgu, o czym dobrze wiedzą śledczy, mający na codzień do czynienia z naocznymi świadkami wydarzeń.