Wieczny powrót od Retyka i Kopernika do Poincarégo

Niebo Greków składało się z wirujących z różną prędkością sfer. Jak pisał Platon w Timajosie:

…aby dać jasną miarę relatywnej powolności i szybkości, z którymi gwiazdy wykonują swoich osiem ruchów, Bóg umieścił na drugiej po Ziemi orbicie światło, które nazywamy teraz Słońcem, aby całe niebo było oświetlone, a jestestwa żyjące, wszelkie, jakie natura zamierzyła, mogły uczestniczyć w Liczbie, ucząc się arytmetyki przez obroty Tego Samego i podobnego. (…)  A na obieg innych gwiazd ludzie, z bardzo małymi wyjątkami, nie zwracają uwagi, nie nadają im nazw, nie porównują ich obiegów ilościowo, tak, że powiedzieć można, nie wiedzą, że czas to błędne wędrówki tych gwiazd nieprzeliczone i przedziwnie różnorodne. Mimo to można pojąć, że doskonała liczba czasu wypełnia rok doskonały wtedy, gdy wszystkie osiem obrotów, mających swoje względne stopnie szybkości, dokona się wspólnie i zakończy w tym samym czasie, mierzonym obrotem Tego Samego, które się porusza w sposób jednostajny. (39 c-39d)

Według Platona po 36 000 lat cykl kosmiczny się powtarza. W XVI w. Georg Joachim Retyk, jedyny uczeń Kopernika, powiązał epoki historyczne ze zmianami mimośrodu orbity Ziemi. Środek orbity Ziemi poruszał się bowiem u Kopernika po niewielkim kółku , a okres tego ruchu wynosił 3434 lat egipskich. Kiedy mimośród orbity Ziemi był największy Rzym stał się z republiki cesarstwem. Po ćwierci obiegu owego małego kółka powstał islam, a po następnej ćwierci ok. 1652 r. – upadnie, jak prorokował. Drugie przyjście Chrystusa miało nastąpić w roku 2510, gdy mimosród wróci po raz drugi do swej wartości w chwili stworzenia. W książce Kopernika nie znajdziemy rozważań tego typu. Nie ma jednak podstaw by sądzić, że ich nie aprobował. Astrologia była dziedziną respektowaną, głównym powodem badania położeń planet na niebie. Więc choć Kopernik nie był z pewnością entuzjastycznym astrologiem – nie zachowały się tworzone jego ręką horoskopy, to mógł wierzyć, że los Ziemi i jej mieszkańców jest powiązany ze zjawiskami niebieskimi. O obrotach było dziełem czysto astronomicznym i matematycznym, zatem umieszczanie w nim astrologicznych konkretów byłoby nie na miejscu.

Środek orbity Ziemi porusza się po małym kółku, rzeczywiste Słońce spoczywa sobie spokojnie obok, nie biorąc udziału w tych „rewolucjach”. Słowo użyte przez Kopernika w tytule De revolutionibus oznaczało obroty, a więc coś cyklicznego, z czasem zaczęło oznaczać wszelkie dramatyczne przemiany, na ogół już jednokierunkowe. Proporcje na rysunku są oczywiście przesadzone, inaczej niewiele byłoby widać.

Wraz z upadkiem idei sfer niebieskich znaczenie cyklów planetarnych zmalało, a czas zaczął wydawać się nieskończony niczym prosta euklidesowa: od minus do plus nieskończoności. Oczywiście, chrześcijanie obowiązani byli wierzyć w stworzenie świata i jego koniec, ale z braku dopływu nowych bodźców wiara ta wyraźnie słabła. Już w XVIII wieku niezbyt się buntowano, gdy Buffon obliczył wiek Ziemi na mniej więcej dziesięć razy dłuższy, niż wynikałby z Biblii. Potem Fourier, zajmując się stygnięciem Ziemi, jeszcze powiększył tę wartość. Mechanistyczny wszechświat najłatwiej było sobie wyobrażać jako trwający od zawsze i mający istnieć zawsze. Od połowy XIX w. do obrazu tego doszły dwie zasady termodynamiki. Według pierwszej – zasady zachowania energii – istnieje wielkość, która we wszystkich przemianach się nie zmienia, co przemawia za tym, że wszechświat nie ma końca. Według drugiej zasady energia rozkłada się z czasem coraz bardziej równomiernie, świat powinien stawać się jednolitym ośrodkiem o stałej gęstości i temperaturze. Tak więc choć istniałby zawsze, po pewnym czasie przechodziłby w postać mało interesującą i praktycznie martwą. Mówiło się o „śmierci cieplnej” wszechświata.

Pomysł wiecznego powrotu pojawił się w latach osiemdziesiątych XIX stulecia nie u uczonego, lecz u filozofa, Friedricha Nietzschego. Pisał on:

Jeśli wszechświat należy uważać za pewną ilość energii, za pewną liczbę ośrodków energii, a każda inna koncepcja pozostaje nieokreślona i przez to bezużyteczna, to wynika stąd, że wszechświat przejść musi przez obliczalną liczbę kombinacji w wielkiej grze losowej, którą jest jego istnienie. W nieskończoności, w takim albo innym momencie, zrealizowana musi zostać każda możliwa kombinacja; a nawet więcej: musi ona zostać zrealizowana nieskończenie wiele razy. (…) wszechświat ukazuje się więc jako ruch kolisty, który zdążył się już powtórzyć nieskończenie wiele razy i który toczy swą grę przez całą wieczność.

Nietzsche, pogrążający się już w szaleństwie, przekonany był, że rozumowanie takie przeczy mechanistycznej nauce, którą traktował pogardliwie. Jednak w roku 1889 Henri Poincaré udowodnił, że w newtonowskiej mechanice także mamy do czynienia z wiecznym powrotem. Jego rozprawa zatytułowana O problemie trzech ciał i równaniach dynamiki zawierała nowatorskie podejście do klasycznego tematu za pomocą metod topologii, czyli rozważań operujących ogólnymi pojęciami takimi jak ciągłość, które okazały się bardzo owocne. Poincaré stał się prekursorem teorii chaosu. A metody topologiczne wykazywały jeszcze nieraz swą przydatność: np. w badaniu osobliwości w ogólnej teorii względności (czarne dziury, początek wszechświata) czy w badaniach osobliwych stanów materii (Nobel 2016).

Poincaré udowodnił następujące twierdzenie: Jeśli dopuszczalne stany układu mechanicznego zawarte są w pewnym ograniczonym obszarze D, to w dowolnym otoczeniu U każdego punktu obszaru D znajdzie się punkt s, który powraca do otoczenia U.

Można to narysować. Przestrzeń stanów to zbiór punktów, których współrzędnymi są położenia i pędy (same położenia nie wystarczą, bo nie precyzują, jak zachodzi ruch; jest to tzw. przestrzeń fazowa układu). Naszym obszarem jest niebieska elipsa (obszar ograniczony odpowiada temu, że np. energia układu jest stała). Rozpatrujemy dowolnie mały obszar (u nas ma postać czerwonego kółka). Stany z obszaru po jakimś kroku czasowym przechodzą w stany , niemające wspólnego punktu z (gdyby tak nie było, to już mamy tezę twierdzenia). Po kolejnych krokach czasowych otrzymujemy . Wiadomo z mechaniki, że objętości tych wszystkich obszarów są jednakowe (twierdzenie Liouville’a). Skoro tak, to któryś z obszarów ciągu musi przeciąć się z , a tym samym istnieć będzie punkt należący zarówno do U, jak i (*)

Oznacza to, że wybierając dowolny stan początkowy i czekając dostatecznie długo, doczekamy się powrotu naszego układu jeśli nie do punktu początkowego to dowolnie blisko tego punktu. Wynik jest zupełnie ogólny, nie musimy nic wiedzieć na temat działających sił, a nasz układ może być dowolnie duży. Twierdzenie Poincarégo pokazuje więc, że na gruncie mechaniki mamy do czynienia z wiecznym powrotem. Można pokazać, że powroty takie będą się powtarzać nieskończenie wiele razy. Idea powrotu nie przeczy więc mechanicznemu światu, choć niezgodna jest ze śmiercią cieplną wszechświata. Poincaré zauważył filozoficzne konsekwencje swego twierdzenia. Zauważył je także młody matematyk Ernst Zermelo, asystent Plancka, który wystąpił z polemiką przeciwko koncepcji entropii Boltzmanna. Zermelo dał się potem poznać jako wybitny specjalista od podstaw matematyki, jego aksjomaty teorii mnogości stosowane są dziś powszechnie.

(*) Idea dowodu twierdzenia Poincarégo opiera się na zachowaniu objętości w przestrzeni fazowej. Kolejne zbiory mają takie same objętości, nie mogą więc być parami rozłączne, gdyż wtedy suma ich objętości przekroczyłaby każdą zadaną liczbę, a wszystko musi się zmieścić w większym obszarze . Jeśli zaś jakaś para tych obszarów nie jest rozłączna, np. przy pewnych , to , co oznacza, że dla jakiegoś punktu mamy , gdzie .

Zachowanie objętości kolejnych obszarów wynika stąd, że gdybyśmy wyobrazili sobie punkty przestrzeni fazowej jako punkty w poruszającej się cieczy, to dywergencja pola prędkości owej cieczy równa się zeru, a to jest warunek dla cieczy nieściśliwej, czyli zachowującej objętość. Oznaczając wektor prędkości dla (gdzie jest liczbą cząstek składających się na układ), mamy

gdzie jest hamiltonianem układu, po wskaźniku sumujemy.

Dodatek matematyczny, twierdzenie Poincarégo w nowoczesnym sformułowaniu. Ujęcie to zawdzięczamy Constantinowi Carathéodory’emu, matematykowi z Getyngi, był już rok 1919. Pojawiło się pojęcie miary, będące uogólnieniem zwykłej objętości. Twierdzenie Poincarégo można uściślić w ten sposób, że zbiór punktów przestrzeni fazowej, które nigdy nie powracają do wybranego otoczenia jest miary zero. Zbiory miary zero, czyli zerowej objętości, mogą mieć skomplikowaną strukturę, ale są rzadkie w tym sensie, że nie można im przypisać żadnej dodatniej objętości. Nowoczesne pojęcie miary zbioru rozszerza dodawanie miar na zbiory przeliczalne (dające się ponumerować liczbami naturalnymi, ciągi zbiorów). Miara spełnia więc warunek:

gdy zbiory są parami rozłączne: , dla różnych wskaźników . Pokażemy, że jeśli odwzorowanie g zachowuje miarę, a miara obszaru D jest skończona, to miara zbioru tych punktów D, które nie mają własności powracania, jest równa zeru. W tym sensie prawie każdy stan ma własność powracania.

Dla dowodu pokrywamy obszar D przeliczalną liczbą kul . Dla każdej kuli definiujemy jej podzbiór jako zbiór tych , dla których tylko dla skończenie wielu wartości wskaźnika . Zbiór jest zbiorem punktów niepowracających. Ponieważ wystarczy udowodnić, że każdy ze zbiorów jest miary zero.

W tym celu wybierzmy dowolny wskaźnik . Będziemy teraz pisać oznaczenia bez indeksu dla  uproszczenia zapisu.

Rozpatrzmy zbiór . Punkt wtedy i tylko wtedy, gdy oraz przy . Zbiory są parami rozłączne, gdy wskaźniki są różne, przy czym dopuszczamy, aby któryś z nich równał się zeru (). Zbiór . Zatem mamy

Miary wszystkich zbiorów po prawej stronie są takie same, bo nasze odwzorowanie zachowuje miarę. Gdyby miary te były dodatnie, suma byłaby nieskończona, co jest niemożliwe, gdyż , więc jego miara musi być skończona. Zatem wszystkie miary po prawej stronie są zerowe i . Zbiór jest przeliczalną sumą , zatem i on musi być miary zero. Dowód ten pochodzi z artykułu R. Daniela Mouldina, Probability and Nonlinear Systems, „Los Alamos Science” nr poświęcony Stanisławowi Ulamowi.

Twierdzenie Poincarégo o powracaniu ilustruje tzw. kot Arnolda (chodzi o Vladimira Arnolda, wybitnego matematyka rosyjskiego). Mamy tu ograniczoną przestrzeń stanów i pewną grupę stanów początkowych, które ułożone są w kształt kociego pyszczka. Gdy puścimy w ruch tę animację, zobaczymy, że w pewnych chwilach kot powraca.

 

Reklamy

Fizyka dla mieszkańców Syriusza: stałe fizyczne (Max Planck, 1899-Matvei Bronstein, 1935)

Max Planck, profesor fizyki w Berlinie, najwybitniejszy niemiecki fizyk teoretyczny przełomu wieku XIX i XX, przez lata badał własności promieniowania termicznego. Idealnym obiektem badań jest tu tzw. ciało doskonale czarne, czyli takie, które pochłania całe padające nań promieniowanie. Można wykazać, że każde ciało doskonale czarne emituje promieniowanie o rozkładzie widmowym zależnym wyłącznie od temperatury. Np. Słońce jest w dobrym przybliżeniu ciałem doskonale czarnym.

Widzimy tu (szary) teoretyczny rozkład widmowy promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze K zestawiony z rzeczywistym promieniowaniem docierającym ze Słońca. Ciało doskonale czarne nie jest czarne, jego barwa zależy od temperatury. (obrazek: Wikimedia)

Znalezienie postaci krzywej widmowej tego promieniowania stało się największym osiągnięciem Maksa Plancka. Otrzymana przez niego zależność ma następującą postać

gdzie stałe oznaczają odpowiednio stałą Boltzmanna (nazwa wprowadzona przez Plancka), prędkość światła w próżni i stałą Plancka. Mamy tu trzy stałe fizyczne, które ze względu na uniwersalność promieniowania powinny mieć fundamentalne znaczenie.

Max Planck zauważył (w roku 1899, zanim jeszcze wyprowadził swój słynny wzór), że stałe w połączeniu ze stałą grawitacyjną pozwalają wprowadzić jednostki niezależne od zaszłości ludzkiej historii czy w ogóle niezależne od naszych ludzkich parametrów: „pojawia się możliwość ustanowienia jednostek długości, masy, czasu i temperatury niezależnych od szczególnych ciał czy substancji, których znaczenie dla wszystkich czasów i wszystkich kultur, także pozaziemskich i pozaludzkich, pozostanie w konieczny sposób takie same”.

Stała Plancka to , stała grawitacyjna to . Mamy więc dla ich iloczynu i ilorazu jednostki:

Zatem wielkości będą nowymi „pozaziemskimi” jednostkami długości oraz masy:

Jednostkę czasu otrzymamy, dzieląc odległość przez prędkość światła:

Te „pozaziemskie” jednostki Planck nazwał naturalnymi, a my dziś nazywamy układem jednostek Plancka. Podstawowe stałe fizyki mają w nim wartości równe 1: . W roku 1899 interesująca wydawała się sama możliwość wprowadzenia jednostek, umożliwiających porozumiewanie się z fizykiem z Syriusza, który ma – jak to dobrze wiemy – postać  świecącego zielono dodekahedronu zanurzonego w inteligentnym oceanie (oni tam szybciej weszli w fazę AI).

Jednostki długości i czasu w układzie Plancka są skrajnie małe: nie tylko w porównaniu z nami, ale nawet z protonem i czasem potrzebnym światłu na przebycie jego wnętrza. Sens fizyczny tych jednostek stał się jasny znacznie później.

Najpierw powiedzmy, jak interpretuje się dziś stałe użyte przez Plancka.

Stała Boltzmanna jest w zasadzie przelicznikiem temperatury w kelwinach na wartości energii – byłoby logiczniej z punktu widzenia fizyki mierzyć temperatury w jednostkach energii, a skoro tego nie robimy, potrzebujemy stałej Boltzmanna. Według najnowszych ustaleń od roku 2019 stała Boltzmanna równa jest dokładnie J/K. Jest to tym samym nowa definicja kelwina (bo dżul zdefiniowany jest na podstawie kilograma, metra i sekundy).

Prędkość światła, czy ogólniej: każdego promieniowania elektromagnetycznego, w próżni wydawała się już około roku 1900 wielkością bardzo ważną. Dzięki teorii względności z roku 1905 wiemy, że jest to coś więcej niż pewna charakterystyczna prędkość w przyrodzie. Jest to bowiem naturalna granica prędkości ciał. Z punktu widzenia teorii względności prędkość światła jest właściwie przelicznikiem między odległościami a czasem. W fizyce poeinsteinowskiej odległości i czas należałoby mierzyć tymi samymi jednostkami. Inaczej mówiąc, stała wyraża stosunek jednostek odległości do jednostek czasu. Jej wartość w dzisiejszej fizyce jest na mocy konwencji równa dokładnie m/s$. Ta dziwna wartość wynika z potrzeby ciągłości dawnych i nowych jednostek.

Trzecia stałą, pojawiającą się we wzorze Plancka, jest oznaczana przez niego literą wielkość, dziś zwana stałą Plancka. Pojawia się ona wszędzie tam, gdzie występują zjawiska kwantowe. Podstawowe równanie fizyki kwantowej, równanie Schrödingera, można zawsze zapisać w postaci

gdzie to jednostka urojona, a , jest funkcją falową, a – hamiltonianem, czyli matematycznym zapisem energii układu. Planck z początku nie wiedział, jak ogromne znaczenie ma jego stała wprowadzona dla promieniowania. Obecnie (od roku 2019) wartość stałej Plancka jest określona raz na zawsze jako J·s. W istocie, jest to nowa definicja kilograma, słynny wzorzec z Sèvres jest już niepotrzebny (kilogram pojawia się w jednostce energii: ).

Stałe określają możliwe teorie fundamentalne fizyki. Sytuację tę można przedstawić za pomocą sześcianu Bronsteina (sam obrazek jest późniejszy):

 

W początku układu mamy mechanikę klasyczną bez grawitacji. Odpowiada to wartościom . Szczególna teoria względności odpowiada przyjęciu , mechanika kwantowa przyjęciu niezerowej stałej Plancka . Kwantowa teoria pola, czyli Model Standardowy cząstek odpowiada oraz . Ogólna teoria względności zawiera stałą grawitacji oraz prędkość światła . Kwantowa teoria grawitacji byłaby „teorią wszystkiego” w tym sensie, że zawierałaby zarówno efekty kwantowe, jak i grawitacyjne. Wszystkie trzy stałe byłyby w niej niezerowe.

Matvei Bronstein, dwudziestoparolatek, już w roku 1933 zaczął się zastanawiać nad kwantowaniem grawitacji. Pięć lat później już nie żył, aresztowany i skazany na śmierć podczas wielkiego terroru w Związku Sowieckim. Także Lew Landau, największy rosyjski teoretyk, był wówczas aresztowany. W jego przypadku pomogła interwencja Piotra Kapicy.

Sześcian Bronsteina jest tylko prostą ilustracją jednego z aspektów poszukiwanej kwantowej teorii grawitacji: wszystkie trzy fundamentalne stałe miałyby w niej skończoną wartość. Wszystkie te stałe (wraz ze stałą Boltzmanna) pojawiają się w we wzorze Hawkinga na temperaturę czarnej dziury. Układ Plancka byłby w kwantowej grawitacji naturalnym układem jednostek. Znaczy to, że zjawisk kwantowych związanych z grawitacją należy oczekiwać w skali długości Plancka, czyli znacznie poniżej dostępnych dziś w badaniach. Masa Plancka jest niemal porównywalna z naszymi jednostkami. Znaczy to jednak, że odpowiadająca jej energia równa będzie J. W teorii fundamentalnej jest to energia olbrzymia, widać to, gdy wyrazimy ją w elektronowoltach:  eV. Dla porównania najdroższy akcelerator w dziejach fizyki, LHC w CERN-ie, może maksymalnie osiągnąć energię 14 TeV, czyli eV – jest to piętnaście rzędów wielkości poniżej energii Plancka.

Wartości stałych fundamentalnych stanowią rodzaj przelicznika pomiędzy naszymi zwykłymi jednostkami, jak metry, sekundy, kilogramy, a jednostkami, jakich używa przyroda, zrozumiałymi dla kolegi z Syriusza. Nb. matematyka jest zapewne jedynym językiem, w którym moglibyśmy się z owym dodekaedrem porozumieć. Może należy zwrócić na to uwagę w dyskusji dotyczącej matury z matematyki: matematyka to jedyny język, w którym możemy się porozumiewać z mieszkańcami Syriusza czy szerzej: ze wszechświatem. Zastosowania są chyba oczywiste.

Niezależne od jednostek są stałe bezwymiarowe. Np. kwadrat ładunku elektronu można wyrazić następująco:

Mając jeszcze do dyspozycji masę elektronu , można wyrazić wszystkie wielkości atomowe. Energia wiązania elektronu w atomie wodoru to

a promień atomu (tzw. promień Bohra):

Wielkości te określają skalę zjawisk atomowych i cząsteczkowych. W  fundamentalnej teorii wszystkiego powinniśmy masę elektronu wyrazić w masach Plancka, a promień Bohra w długościach Plancka.

Ilu różnych bezwymiarowych stałych potrzebujemy do opisu świata? Używamy jednostek Plancka. Zatem grawitacja kwantowa nie zawiera żadnych dowolnych stałych. Model Standardowy potrzebuje trzech stałych określających siłę oddziaływań: oprócz dla oddziaływań elektromagnetycznych, potrzeba jeszcze stałych dla oddziaływań słabych i silnych. W sumie mamy 3 stałe. Dalej, potrzebujemy mas: sześciu kwarków, trzech leptonów i trzech neutrin oraz bozonu Higgsa (wszystko wyrażamy w masach Plancka, więc są to wielkości bezwymiarowe). Dotąd mamy 16 stałych. Potrzebna jest jeszcze wartość oczekiwana pola Higgsa: stała nr 17. Kolejnych 8 stałych bierze się z różnych macierzy mieszania. Daje to 25 parametrów, przy czym większość wynika z Modelu Standardowego. Wielkość ciemnej energii jest parametrem nr 26 (jeśli ciemna energia to stała kosmologiczna). Z jednej strony jest tych stałych za wiele jak na fundamentalną teorię, z drugiej strony jednak od czterdziestu lat nikt nie potrafi wskazać teorii bardziej ekonomicznej, a te stałe nie są jakimiś kaprysami teoretyków, lecz potwierdzane są w eksperymentach (tutaj LHC ma jak najbardziej zastosowanie).

Więcej szczegółów nt. stałych w artykule Johna Baeza.

 

Ludwig Boltzmann: Jak świat pogrąża się w chaosie (1877)

Atomizm był od starożytności doktryną szczególnie ostro zwalczaną. Wydawało się bowiem – i zapewne słusznie – że w świecie z atomów nie ma miejsca na duszę, która może przetrwać śmierć ciała. Jednak odkrycie w XV w. poematu Lukrecjusza O rzeczywistości (nb. przez papieskiego sekretarza, Gianfrancesco Braccioliniego) wywarło spory wpływ na dzieje idei. W Anglii Isaaca Newtona udało się pogodzić bożą wszechmoc z atomizmem, ale nie wszyscy zwolennicy nowej nauki byli przekonani do takich kompromisów. Do nieprzejednanych oponentów atomizmu należeli m.in. René Descartes i Gottfied Wilhelm Leibniz.

Naukowa kariera atomizmu złączona była z chemią oraz nauką o cieple. Od czasu Johna Daltona atomy okazały się niezwykle przydatnym narzędziem dla chemików. Fizycy dopiero w drugiej połowie XIX wieku zaczęli rozwijać teorię kinetyczną, czyli w gruncie rzeczy konsekwencje cząstkowego obrazu materii obdarzonej ruchem. Szczególnie prosta okazała się teoria kinetyczna gazów, ponieważ wystarczyło założyć, że cząsteczki gazów oddziałują tylko za pomocą zderzeń. Ten sposób myślenia przebijał się wszakże bardzo powoli, jak świadczy przykład Johna Waterstona. Kilkanaście lat później James Clerk Maxwell zapoczątkował nowoczesną teorię kinetyczną.

Teoria gazów stała się głównym tematem badań Ludwiga Boltzmanna, wiedeńczyka, który co kilka lat przenosił się niespokojnie z jednego uniwersytetu na drugi, pracując w Wiedniu, Grazu, potem znowu w Wiedniu, znowu w Grazu, w Monachium, jeszcze raz w Wiedniu, w Lipsku i ponownie w Wiedniu. Boltzmann stworzył całą nową dziedzinę wiedzy: fizykę statystyczną – czyli mikroskopowy statystyczny opis zjawisk cieplnych. Głównym zastosowaniem była dla niego teoria gazów, w istocie jednak teorię tę stosować można do wszelkich układów wielu cząstek. Wyjaśnia ona własności makroskopowe różnych ciał: kryształów, cieczy, metali, półprzewodników, magnetyków itd. Pokazuje, jak z poziomu oddziaływań między atomami i cząsteczkami przejść na poziom własności materii obserwowanej w laboratorium.

Zjawiska cieplne podlegają zasadom termodynamiki. Pierwsza z nich to po prostu zasada zachowania energii. Druga jest znacznie bardziej interesująca: mówi bowiem o kierunku możliwych przemian w świecie. Można zdefiniować wielkość zwaną entropią , która jest funkcją stanu ciała, czyli np. w przypadku gazu zawartego w objętości i mającego energię : . Otóż druga zasada termodynamiki mówi, że entropia układu izolowanego cieplnie nie może maleć, a zazwyczaj rośnie. Intuicyjnie wzrost entropii odpowiada temu, że większa część energii ciała ma postać chaotycznych ruchów cieplnych i trudniej ją wykorzystać do uporządkowanych zmian typu np. zmiany objętości (dlatego nie można zbudować np. silnika samochodowego, który wykorzystywałby w 100% energię uzyskaną ze spalania; samochody elektryczne przenoszą ten problem do elektrowni, które też zazwyczaj coś spalają, z nieco większą wydajnością, ale także daleką od 100%).

Entropia jest wielkością tzw. ekstensywną, to znaczy entropia układu złożonego z dwóch części będzie sumą entropii obu części:

Jak na poziomie cząsteczkowym opisać wzrost entropii? Boltzmannowi udało się powiązać entropię z prawdopodobieństwem, a właściwie z liczbą mikrostanów odpowiadających danemu makrostanowi. Rozważmy naczynie z gazem, w którym znajduje się cząstek o łącznej energii . Tej samej wartości energii całkowitej odpowiada bardzo wiele różnych konfiguracji cząstek (mikrostanów). Gaz dąży spontanicznie do równowagi cieplnej, ponieważ jest to stan najbardziej prawdopodobny. Wzrost entropii nie jest więc tajemniczym prawem przyrody, lecz konsekwencją trywialnego faktu matematycznego, że zdarzenia bardziej prawdopodobne realizują się częściej niż wyjątkowe.

Jak można to opisać ilościowo? Stan ruchu jednej cząstki możemy opisać, podając jej położenie oraz pęd . Załóżmy, że całą przestrzeń dostępnych stanów podzieliliśmy na komórki o jednakowej objętości. Stan makroskopowy gazu znamy, gdy podana zostanie liczba cząstek gazu w każdej komórce. Wyobrażamy sobie przy tym, że liczby te są duże (w jednym molu mamy cząstek, więc nawet po rozdzieleniu tych cząstek na bardzo wielką liczbę komórek, możemy wciąż mieć dużo cząstek w każdej komórce). Stan makroskopowy będzie więc listą liczb cząstek w kolejnych komórkach: , gdzie jest całkowitą liczbą komórek (jeśli całkowita energia gazu równa jest , to żadna cząstka nie może mieć energii większej niż , a więc obszar przestrzeni stanów potrzebny nam w rozważaniach jest ograniczony).

Schematyczny rysunek obszaru w przestrzeni stanów (jest on sześciowymiarowy, a więc trudny do narysowania). Zaznaczyliśmy jedną z komórek, na jakie dzielimy całą przestrzeń stanów wraz z liczbą cząstek w tej komórce.

Jeśli znamy poszczególne , to możemy także obliczyć całkowitą liczbę cząstek :

oraz całkowitą energię :

gdzie oznacza energię w  i-tej komórce. Dalej zakładamy, że oraz (a także objętość gazu) są ustalone. Ilu konfuguracjom cząstek (mikrostanom) będzie odpowiadać dana lista ? Zakładając, że cząstki są rozróżnialne, lecz jednakowe, liczba konfiguracji prowadzących do tej samej listy równa jest

Nietrudno zrozumieć sens tego wyrażenia: liczbę permutacji wszystkich cząstek dzielimy przez liczby permutacji wewnątrz kolejnych komórek, bo nie zmieniają one wartości . Liczba konfiguracji jest proporcjonalna do prawdopodobieństwa. Możemy poszukać takiej listy , dla której W będzie maksymalne. Fizycznie powinno to odpowiadać stanowi równowagi termodynamicznej. Ów rozkład najbardziej prawdopodobny jest tzw. rozkładem Maxwella-Boltzmanna:

gdzie stałe określone są warunkami stałości całkowitej liczby cząstek i energii. Boltzmann wcześniej uzyskał ten rozkład z innych rozważań. Można teraz zdefiniować entropię następującym wzorem:

Pojawienie się logarytmu jest tu całkiem oczekiwane, ponieważ gdy weźmiemy dwa układy o liczbach konfiguracji odpowiednio , to całkowita liczba konfiguracji będzie równa

a chcemy żeby entropie w takiej sytuacji się sumowały: . Zdefiniowaliśmy entropię nie tylko w stanach równowagowych, którym odpowiadają listy , ale także w dowolnych innych, którym odpowiadają listy . Żeby nowa definicja miała sens, trzeba było oczywiście wykazać, że w sytuacjach równowagowych, otrzymuje się znane wcześniej wyrażenia. Wzór Boltzmanna

stał się nową definicją entropii, dziś uważaną za podstawową. W istocie wzór Boltzmanna ma znacznie szersze pole zastosowań niż fizyka klasyczna znana w jego czasach. Jeśli rozważymy np. cząstki nierozróżnialne, można z analogicznych rozważań otrzymać prawa obowiązujące dla gazu fermionów (np. elektrony w metalu albo w białym karle) albo gazu bozonów (z czego wynikają prawa promieniowania cieplnego oraz, w innej nieco sytuacji, kondensacja Bosego-Einsteina). Wzór Boltzmanna pozwala też wyprowadzić wniosek, że w niskich temperaturach, gdy układ znajduje się w stanie podstawowym, entropia powinna być równa zeru – jest to treścią trzeciej zasady termodynamiki sformułowanej przez Wilhelma Nernsta.

W czasach Boltzmanna teoria kinetyczna była wysoce spekulatywna. Nie było pewności, czy w ogóle istnieją cząstki składające się na gaz. A więc znajdowanie liczby ich konfiguracji mogło wydawać się liczeniem diabłów na łebku szpilki. Ludwig Boltzmann przez całe życie odpierać musiał rozmaite zarzuty i brać udział w polemikach. Część dotyczyła spraw istotnych: w jaki sposób z odwracalnej mechaniki dochodzi się do procesów nieodwracalnych jak stygnięcie herbaty w kubku albo przewidywane wówczas przez niektórych uczonych stygnięcie, śmierć cieplna całego wszechświata? Najbardziej zjadliwe były polemiki filozoficzne. Zaciętym wrogiem Boltzmanna był tu Ernst Mach, dziś znany głównie za sprawą liczby Macha w lotnictwie ponaddźwiękowym. Fotografował on kule w locie.

Chciał też rewizji całej fizyki. Sądził, że posługuje się ona mnóstwem pojęć nie wytrzymujących krytyki. Np. przestrzeń absolutna u Newtona. Rozważania Macha zainspirowały Alberta Einsteina, choć w sposób bardzo swoisty. Sam Mach nie chciał słyszeć o teorii względności. Filozofia Macha miała ambicję wyrugowania z nauki pojęć nieopartych na bezpośrednim doświadczeniu. Chciał on niejako spojrzeć na świat od nowa. Dostrzegał w nim jedynie swoje wrażenia i ich wiązki.

Rysunek Ernsta Macha: jego pokój widziany lewym okiem

Dlatego koncepcja atomów była przez niego uważana za fikcję. Boltzmanna traktował jak naiwnego materialistę, nieświadomego subtelności pojęciowych. Przyszłość należała do fizyki statystycznej i atomów. „Naiwne” koncepcje fizyków zadziwiająco często sprawdzały się w praktyce. Co oczywiście, zdaniem filozofów, niczego nie dowodzi.

Skłonny do zmian nastrojów, Boltzmann cierpiał na napady depresji. W 1906 roku, przebywając na wakacjach w Duino nieopodal Triestu, popełnił samobójstwo, w czasie gdy żona i córka pływały w morzu. Nie dowiemy się, ile zdołałby osiągnąć, gdyby znano wtedy leki antydepresyjne.

Zaprawdę, to osobliwe, nie przebywać już odtąd na ziemi,

wyuczone zaledwie porzucić zwyczaje,

różom i innym odrębnie obiecującym rzeczom

nie dawać znaczeń ludzkiej przyszłości, już nigdy.

Tym, czym się było w dłoniach tak nieskończenie trwożnych,

nie być już więcej i nawet własne swe imię

porzucić, jak się porzuca połamaną zabawkę.

To osobliwe, już nie mieć życzeń. To osobliwe,

wszystko, co było związane, ujrzeć w przestrzeni

rozpierzchłe…

(przeł. M. Jastrun)

Ucieczka na Południe, 29 grudnia 1894 roku

Było to w końcu grudnia, niedługo po zimowym przesileniu. Lokomotywa posapywała i wypuszczała od czasu do czasu kłęby dymu i pary, które niknęły gdzieś pod dachem dworca. Wzdłuż oświetlonych elektrycznością peronów odbywała się spieszna krzątanina, słychać było podekscytowane nawoływania, jakaś dama ze szpicem na ręku szła poprzedzona karawaną kufrów niesionych przez bagażowych, wąsaty kolejarz flegmatycznie obstukiwał osie wagonów, sprawdzając hamulce pneumatyczne. Młody człowiek o bystrej twarzy, piwnych oczach i ciemnych kędzierzawych włosach, w magicznym wieku na granicy dzieciństwa i dorosłości, taszcząc walizkę i futerał na skrzypce, wsiadł do wagonu trzeciej klasy pociągu do Włoch. Potem rozległy się gwizdki zawiadowcy i trzaski zamykanych drzwi, pociąg ruszył, posapując, i po dłuższej chwili rytm kół stukających o spojenia szyn stał się równy i miarowy. Zniknęła hala dworca, w tyle zostało parę oświetlonych ulic i za oknem migały już tylko nieliczne światła domów.

Dworzec Główny w Monachium oświetlony lampami łukowymi firmy Siemens & Halske.

Scena ta nie przeszła do historii, możemy się jedynie domyślać jej dokładnego przebiegu. Wiemy, że był 29 grudnia 1894 roku. Wieczorny pociąg z Monachium w nocy przekraczał przełęcz Brenner, następnego dnia pasażerowie budzili się już we Włoszech: Trydent, Werona, wreszcie, o 3:46 po południu przybywali do Mediolanu. Ów młody człowiek, Albert Einstein, nie uprzedził rodziców o przyjeździe, zjawił się po prostu na progu ich mieszkania. Teraz następowało najtrudniejsze: musiał im to wszystko jakoś wytłumaczyć. Czemu porzucił gimnazjum, dlaczego nie chce wracać, nie tylko do Monachium, ale w ogóle do Niemiec. Trzeba było przekonać ich do rzeczy oczywistych: ta szkoła nie mogła go już niczego nauczyć, a on nie skończy jak ojciec, bez wykształcenia i bez sukcesów, wdając się w przedsięwzięcia od początku skazane na klęskę. Nie był taki jak ojciec, łączył w sobie najlepszy rozum Einsteinów i cierpliwość oraz inicjatywę Kochów. Wiedział, że da sobie radę i wiedział, że nie wróci do Niemiec. Musi tylko teraz przelać tę spokojną pewność na zatrwożonych rodziców.

Posługując się wystawionym przez lekarza, przyjaciela domu, zaświadczeniem o wyczerpaniu nerwowym Albert opuścił, a właściwie porzucił gimnazjum Luitpolda. Zakład naukowy noszący imię księcia-regenta mieścił się w okazałym gmachu dawnego lazaretu wojskowego, kadra nauczycielska miała w większości tytuły doktorów, niektórzy pisali prace naukowe. Szkoła ta z pewnością nie przynosiła stolicy Bawarii wstydu, wręcz przeciwnie: mogła być powodem do dumy. Jednak najwybitniejszy uczeń w jej dziejach nie wytrwał do matury.

A więc szkoła: jej duch, atmosfera, a także poszczególne przedmioty. Nie wytrzymałby kolejnych trzech lat. Siedem godzin łaciny i sześć godzin greki: Cyceron, Katon Starszy, Ksenofont, ciągle nowe, nigdy nie kończące się księgi Odysei. I od tego roku, nauczający owych skarbów użytecznej wiedzy wielmożny pan doktor Joseph Degenhart, Ordinarius, który stwierdził przy całej klasie, że Einstein „nigdy nie dojdzie do niczego w życiu”. Wszystkie pary oczu utkwione w niego w tym momencie. Na ustach Alberta lekko drwiący uśmieszek, nie zamierzał kapitulować wobec tego osła. To Degenhart nie wytrzymał, wezwał go do siebie po paru tygodniach i wyraził życzenie, aby pan Einstein opuścił szkołę. Na niewinne pytanie, co mu zarzuca, nauczyciel odparł, że samą swą obecnością podważa jego autorytet. Autorytet – owa rzecz bezcenna i tak krucha, iż trzeba by ją nosić ze sobą w osobnym futerale. Oto ja, a to mój autorytet. Sprawy zaszły za daleko, zresztą szkoda było czasu. W programie matematyki dopiero teraz, w siódmej klasie, zaczynały się równania kwadratowe i najprostsza trygonometria. Na lekcjach fizyki równia pochyła i prawo Archimedesa. A przecież Albert zajmował się już rachunkiem różniczkowym i całkowym oraz elektromagnetyzmem! Joseph Ducrue, który uczył obu przedmiotów ścisłych, bez oporu wystawił zaświadczenie, że uczeń Einstein opanował matematykę i fizykę w stopniu wystarczającym do matury.

Nie tylko przedmioty ścisłe, ale nawet język niemiecki, stanowiły zaledwie dodatek do programu klasycznego gimnazjum, ustępstwo na rzecz nowych czasów, niechętnie traktowane przez zwolenników tradycji. Nie chodziło o to, by wychować zastępy łacinników i znawców klasycznej greki. Prawdziwym celem było ćwiczenie charakteru, pamięci i sprawności myślenia na tym abstrakcyjnym materiale przypominającym marmur wypolerowany przez czas i ludzki dotyk. Celem było także nauczanie cnoty na uświęconych tradycją przykładach. Cezar podbijający Galię, wszystkie jej trzy części. Ale też Caesar pontifex. Cywilizacja zorganizowana jak mowa w senacie albo przemówienie do legionistów przed bitwą. Tych samych tekstów uczyli się chłopcy w całej Europie. Przekładali klasyczne okresy na swoje barbarzyńskie języki ze świadomością, że jest to właściwie niemożliwe: nie można bowiem dorównać klasykom, a już z pewnością nie mogą tego dokonać oni, niezbyt starannie przygotowani do lekcji, nieuformowani. Nie mogą też zadaniu temu sprostać ich ojczyste języki, które dopiero powoli zdobywały sobie prawo obywatelstwa. Już w samych usiłowaniach przekładu kryło się pewne ustępstwo wobec nowych czasów: uczniom nie groziły bowiem jak niegdyś plagi za używanie ojczystego języka między sobą na przerwach.

Właściwie tylko Ferdinand Reuss potrafił na lekcjach powiązać tę całą szacowną spuściznę z literaturą niemiecką i z jakimkolwiek życiem. Schiller, a zwłaszcza Goethe, prawdziwy olimpijczyk, panujący nad formą i głęboki bez widocznego wysiłku. To jednak coś więcej niż zjadliwość i sentymentalizm Heinego, choć wobec jego przenikliwej inteligencji – chapeau bas. Hermann und Dorothea – heksametry poświęcone prawdziwym uczuciom dwojga młodych, zbuntowanych przeciwko światu dorosłych, w którym liczą się jedynie kalkulacje, stanowiska i majątki. Wreszcie coś autentycznego, o żywych ludziach, a nie mitologicznych herosach. Zaczął doceniać subtelność języka niemieckiego, skończyły się długie godziny pamięciowego wkuwania. Nawet lekcje łaciny stały się mniej martwe. Za czasów Reussa, w szóstej klasie, osiągnął najwyższą swą notę z łaciny: jedynkę. Niestety, obecny rok szkolny od początku był katastrofą.
W sumie nie był złym uczniem. Po części dlatego, że nie chciał martwić rodziców, a po części dlatego, że nauka przychodziła mu bez trudu. Słabsze stopnie, dwójki, miał tylko z owej nieszczęsnej greki. Była to ocena dobra, ale i nic więcej: nie miał pamięci do słówek ani ambicji, by przygotowywać więcej, niż zadawał Degenhart. Gospodarz klasy bardzo chciał zmobilizować chłopców do rywalizacji, toteż krzywo patrzył na odmowę uczestnictwa w grupowym wysiłku. Albert miał jednak wadę wielu inteligentnych ludzi: nie cierpiał robić rzeczy, które wydawały mu się bez sensu. Pomysł, by posłać go do gimnazjum klasycznego, dobrze świadczył o ambicjach rodziców – były to w Niemczech szkoły elitarne, choć znaleźć je można było w każdym większym miasteczku. Większość ważnych stanowisk w kraju zajmowali absolwenci gimnazjum. Matura była świadectwem przynależności do lepszej części społeczeństwa i w zamian za bezsensowny trud uczenia się rzeczy zbytecznych przynosiła pewien prestiż, możliwość wzniesienia się ponad swoje pochodzenie. W przypadku Żydów wykształcenie stanowiło przepustkę do wolnych zawodów, czasem do działalności naukowej, gdyż służba państwowa, zarówno cywilna, jak wojskowa, była dla nich praktycznie niedostępna. Ojciec Alberta musiał poprzestać na szkole realnej i zająć się prowadzeniem interesów, nie było mowy o studiach, choć podobno był zdolny, a szczególnie dobrze szła mu matematyka.

Albert rozumiał to wszystko, nie chciał być ciężarem dla rodziców, widział zresztą, że ojciec nie jest bynajmniej obrotnym Semitą z ludowych anegdot, który zawsze znajdzie sposób, żeby wyjść na swoje. Czuł się jednak organicznie niezdolny do spędzania lepszej części każdego dnia w zimnym gmachu z budującymi maksymami na barokowych plafonach. Nie chciał słuchać dyrektora prawiącego o obowiązkach i „kategorycznym imperatywie naszego filozofa Kanta”. Bronił się przed nimi i nimi gardził: potrafili wszystko strywializować, wszelkie cnoty sprowadzić do posłuszeństwa wobec przełożonych. Formowano ich na przyszłych urzędników, niezawodne trybiki w machinie państwa. Nawet ci liberalni Bawarczycy coraz mocniej przesiąkali duchem pruskim. Dopiero w domu stawał się sobą, odzyskiwał równowagę: musiał zagrać Mozarta, żeby oczyścić umysł i zmyć cierpki osad absurdu przynoszony z tej niesłychanej instytucji niczym kurz na butach. Samo granie Mozarta nie mogło oczywiście wystarczyć, nigdy przecież nie zostanie wirtuozem. Na szczęście były książki: czyste intelektualne piękno matematyki, zbyt dostojne dla bandy dorastających chłopaków, którzy całą energię obracali na podglądanie bujnej Gretchen usługującej w piwiarni. Co oni mogli wiedzieć o falach Hertza i eterze?

Także starszy od Einsteina o kilka lat Thomas Mann nie cierpiał szkoły i nie doszedł do matury, stając się, jak to sam ujmował: „wykolejonym gimnazistą” . Pisarz wspominał: „Nienawidziłem szkoły i do samego końca nie mogłem sprostać jej wymaganiom. Gardziłem nią jako środowiskiem, krytykowałem maniery jej władców i wcześnie zająłem wobec niej stanowisko, które było swojego rodzaju literacką opozycją przeciw panującemu w niej duchowi, dyscyplinie, metodom tresury. Indolencja, może konieczna dla mego odrębnego rozwoju, potrzeba dużej ilości wolnego czasu na próżnowanie i spokojną lekturę, prawdziwe lenistwo umysłowe (…) – wszystko to sprawiało, że nienawidziłem przymusowej nauki i lekceważyłem ją przekornie”. Młody patrycjusz o artystycznych zainteresowaniach, tak samo jak przyszły uczony, nie potrafił się pogodzić z pamięciowym wkuwaniem i koszarowym kolektywizmem systemu nauczania. Obaj potrzebowali czasu na swobodne, niespieszne lektury. Albert Einstein twierdził później, że do edukacji młodzieży wystarczyłyby z powodzeniem cztery godziny dziennie lekcji w szkole i dwie godziny własnej nauki.

Obaj, przyszły pisarz i przyszły uczony, byli marzycielskimi nastolatkami, których urzekała muzyka i romantyczna poezja niemiecka. Obaj lubili improwizować na fortepianie, Albert uczył się od szóstego roku życia gry na skrzypcach.
Każdy inteligentny nastolatek odczuwa potrzebę buntu i przeżywa kryzys wiary w oficjalną moralność. Dobrze wówczas mieć towarzysza niedoli, który podobnie myśli i czuje, wydaje się naszym alter ego. Thomas Mann pisze o swej młodzieńczej przyjaźni: „Komitywa nasza przetrwała wszystkie lata szkolne bodaj z tej samej przyczyny, z której niegdyś powstała. Był to «patos dystansu» wobec większości naszych kolegów; zna go każdy, kto mając lat piętnaście czytuje potajemnie Heinego i w tercji wydaje zdecydowane sądy o świecie i ludziach”. Jak się zdaje, Albert Einstein przeżywał ów nietzscheański patos dystansu samotnie, w okresie życia, kiedy odczuwa się tak wielką potrzebę zwierzeń i bliskości, nie przyjaźnił się z żadnym rówieśnikiem. Występuje tu pewna osobliwość: Einstein, który później zaprzyjaźniał się z ludźmi łatwo, a nawet może zbyt łatwo i zbyt powierzchownie, w okresie pobytu w Monachium nie miał żadnego powiernika, nauczył się zachowywać dla siebie większość swoich myśli. Po latach pojawił się jakiś gimnazjalny kolega wspominający, jak Einstein czytał Kanta, nie ma wszakże żadnych dowodów, by przyjaźnili się bliżej w okresie szkolnym.

Przyzwyczaił się do osobności, może od początku był nieco osobny. Nawet mówić zaczął później i przez jakiś czas miał zwyczaj wygłaszać każde zdanie najpierw po cichu, a dopiero później powtarzał je na głos. Bawił się sam i wykazywał nieczęstą u dzieci cierpliwość w budowaniu wysokich budowli z kamiennych klocków Anker albo w ustawianiu domków z kart wysokich na czternaście kondygnacji. Nie była to zresztą dokładnie biorąc samotność, ponieważ miał matkę, która nad nim stale czuwała, nawet na odległość, a także młodszą siostrę. Często odwiedzała ich rodzina, miał wielu kuzynów i kuzynek, niemal codziennie bywał w fabryce, rozmawiał ze stryjkiem Jakobem i pracownikami. Rodzina nie zrywała też związków z gminą żydowską, nawet jeśli nie były one religijne. Co czwartek zapraszano na obiad ubogiego studenta medycyny z Polski, Maksa Talmuda. To on, obok stryjka Jakoba, zajmował się jego umysłowym rozwojem. Max był wyznawcą materializmu medycznego, zaczął przynosić Albertowi książki o nauce. Seria popularnych książeczek Aarona Bernsteina o cudach nauk, o planetach i atomach, światach, w których nie byliśmy, ale coraz więcej o nich wiemy. Ludwiga Büchnera Kraft und Stoff – „Siła i materia”. Istnieje tylko materia i działające na nią oraz poprzez nią siły. Nie ma świata nadprzyrodzonego, prawa przyrody są niewzruszone i nie zależą od naszego widzimisię. Zjawiska w przyrodzie przebiegają niezależnie od tego, czy ktoś je obserwuje i czy ktoś je rozumie. I nie zależą od naszej moralności. Przeświadczenie o ojcowskiej opiece Stwórcy stało się wkrótce dla Alberta tak samo nieprawdopodobne jak opowieści o Noem, który po Potopie przeżył jeszcze trzysta pięćdziesiąt lat, a w sumie lat dziewięćset pięćdziesiąt. Odkrył, że każda religia, żydowska, tak samo jak chrześcijańska, służy jedynie władzy – zamiast stawiać przy każdym policjanta, który by go pilnował, wmawia się ludziom, że ich czyny widzi Bóg, który choć jest wszechmocny i w najwyższym stopniu mądry, lecz z jakiegoś powodu z wielkim zainteresowaniem zajmuje się śledzeniem postępków każdego Barucha czy Hansa. Rozwiązanie tanie, choć coraz mniej skuteczne. Poczuł gorzką radość demaskatora: jeśli żywisz jakieś złe podejrzenia co do motywów postępowania poszczególnych ludzi, a także całych społeczeństw, to zapewne masz rację. Są tacy, jak przypuszczasz, albo i gorsi.

Przed cynizmem uchronił go pierwszy podręcznik geometrii i zachwyt dla niewzruszonej logiki rozumowań. Nie musimy sprawdzać, czy w każdym trójkącie prostokątnym kwadrat przeciwprostokątnej jest równy sumie kwadratów przyprostokątnych. Wystarczy to udowodnić raz na zawsze i ten dowód pozostanie słuszny, nawet dla trójkątów, których nikt jeszcze nie narysował albo takich, które ktoś już starł z tablicy. Myślał przez wiele dni, jak można udowodnić twierdzenie Pitagorasa, aż w końcu wpadł na pewien pomysł: trzeba wykorzystać podobieństwo trójkątów (dopiero później dowiedział się, że tak się to pojęcie nazywa). Podręcznik geometrii stał się jego „świętą książeczką”. Stryj Jakob, inżynier z głową pełną pomysłów, wprowadził go też w algebrę: „Gdy nie możemy znaleźć zwierzyny, na którą polujemy, chwilowo nazywamy ją x i kontynuujemy polowanie, póki nie wsadzimy jej do torby”. Albert z upodobaniem rozwiązywał zadania i zagadki podsunięte mu przez stryja.

Jeszcze bardziej cudowne było to, że wszechobecne i niewidzialne siły, mogące poruszać tłokiem maszyny parowej albo wytwarzać prąd elektryczny, jak w prądnicach stryja Jakoba, nie tylko dawały się zmierzyć i przewidzieć, lecz poddane były ścisłemu rygorowi matematyki! Jak święta książeczka geometrii stosowała się do mierzenia odległości gwiazd, tak samo prawa fizyki pozwalały obliczyć i zrozumieć ruch planet i komet, każdego atomu – cały wszechświat nabierał w ten sposób głębokiego sensu. I nie były to jedynie czcze urojenia fantastów z białymi brodami, wizjonerów, którym mylił się dzień z nocą i sen z jawą. Uczeni, wielka międzynarodowa wspólnota ludzi dokonujących dokładnych i cierpliwych pomiarów, analizujących zjawiska, przeprowadzających obliczenia – to oni byli byli prawdziwymi kapłanami, to oni poddawali się surowej regule nakazującej rzetelność, ścisłość i pokorę wobec tajemnic świata. To była prawdziwa świętość, której daremnie szukał w religii. Świat był świętością, choć ludzie tak często okazywali się świniami.

Ucieczka Alberta z Monachium była instynktowna, czuł, że w istocie nie ma wyboru. Dopiero potem przyszła pora na racjonalizację. Trzeba to było jakoś praktycznie urządzić. Rozum zazwyczaj lojalnie wspiera porywy uczuć, przedstawiając je w postaci zobiektywizowanej i możliwej do przyjęcia przez innych, niczym starszy brat lojalnie wstawiający się za młodszym. Nie chodziło przecież o brak rodziców, w życiu nastolatka rodzina stanowi raczej tło obrazu niż jego pierwszy plan. To prawda, od jesieni został w Monachium sam, jeśli nie liczyć wszystkich ciotek i znajomych matki, które należało odwiedzać w niedzielę. Rodzice i Maja wyjechali do Mediolanu. Ojciec poniósł klęskę w interesach i zmuszony został do zamknięcia firmy, sprzedaży jej wyposażenia, a nawet działki, na której mieściły się fabryka i ich dom rodzinny. Teren położony niedaleko Sendliger Tor kupił przedsiębiorca budowlany po to, żeby wszystko wyburzyć, miasto szybko się rozrastało i potrzebowało nowych kamienic. Koledzy w klasie nie znali szczegółów, można było udawać, że to nie bankructwo, lecz przeprowadzka. Prawda była jednak taka, że bracia Einstein nie otrzymali dużego zamówienia od miasta, mimo że byli jedyną fabryką z Monachium i mimo że to oni pierwsi zainstalowali elektryczne oświetlenie na Oktoberfest i zbudowali sieć elektryczną w Schwabing. Zamówienie trafiło do firmy Schukert i S-ka z Norymbergi, prowadzonej przez „prawdziwych Niemców”. Fabryczka braci Einstein nie miała zresztą szans w konkurencji z wielkimi firmami, które połykały mniejsze: Schukertwerke za kilka lat połączyły się z berlińskim potentatem Siemens & Halske, tworząc koncern funkcjonujący do dziś jako Siemens AG.

Czy trudniej być Żydem, czy synem bankruta? Jako jedyny Żyd w klasie chodził wprawdzie na lekcje judaizmu, lecz nie czuł się potomkiem proroków. Edukacja była liberalna, nikt nie wymagał od niego deklaracji wiary. Owszem, przeszedł parę lat temu okres przypływu uczuć religijnych, chwilami graniczyło to z ekstazą. Ku zdumieniu całej postępowej rodziny przestał jeść wieprzowinę i zaczął układać hymny na cześć Pana, które nucił po drodze do szkoły i z powrotem. Ku niekłamanej uldze ojca, ta faza religijna szybko minęła, jeszcze przed bar micwą, nie powstał więc kłopotliwy problem praktykującego syna przy pokpiwającym z ortodoksji ojcu. Żydostwo było zatem nie tyle religią, ile specyficznym rodzajem obcości wśród Niemców, jakimś oddzielnym rodzajem niemieckości. W gimnazjum na ogół mu tego nie wytykano, ponieważ obowiązywało tu dobre wychowanie. Profesorowie zazwyczaj zachowywali się grzecznie, jak na oficerów przystało. Uczniowie także starali się im dorównać, Albert nie reagował zresztą na krzywe uśmieszki i grube aluzje. Co innego w szkole podstawowej. Zetknął się tam z drobnym ludkiem katolickim i wracając ze szkoły musiał dobrze uważać, żeby nie popędziła za nim banda uliczników z okrzykami: „Żyd, Żyd…” Nie były to prawdziwe prześladowania, raczej wybryki pospólstwa ogłupianego przez równie przesądnych księży, bredzących o zabójcach Pana Jezusa. Ponieważ najlepsza jest nauka poglądowa, katecheta przyniósł kiedyś ogromny gwóźdź, oświadczając, że właśnie takie posłużyły do ukrzyżowania Chrystusa. Na szczęście nikt nie pokazał go przy tym palcem, ale wystarczało to, aby czuć się obco, mimo że nie miał żadnej innej ojczyzny. Rodziny Kochów i Einsteinów mieszkały w Wirtembergii od wieków, wszyscy mówili tym samym językiem, jego szwabska odmiana była mową jego dzieciństwa. Przyzwyczaił się, że jest jedynym Żydem w klasie. Być może wzmocniło to tylko jego naturalne samotnictwo.

Einstein twierdził, że właściwie nie zetknął się w Bawarii z poważniejszym antysemityzmem. Żydowskie pochodzenie sprawiało tylko, że czuł się kimś trochę innym niż reszta Niemców. W mniejszym stopniu utożsamiał się też z państwem, które przeżywało wówczas upojenie nacjonalizmem. Powstanie II Rzeszy Niemcy odczuwali jako wielki akt dziejowej sprawiedliwości. Albert nie poddawał się tym uniesieniom, patrzył z boku. W jego oczach szkoła jawiła się jako przedłużenie cesarstwa niemieckiego, choć w nieco łagodniejszej wersji bawarskiej. Według słynnej i wielokrotnie powtarzanej oceny uczonego nauczyciele szkoły podstawowej przypominali feldfebli, a profesorowie gimnazjum – poruczników. Pruscy feldfeble uchodzili za okrutnych nadzorców dyscypliny, porucznicy dokładali do tego pewną zimną ogładę. Trzeba nam wiedzieć, czym w ówczesnych Niemczech był porucznik: „Pruski porucznik szedł przez świat jak młodszy bóg, a mieszczanin porucznik rezerwy – niczym półbóg”. Oficerami w armii byli niemal wyłącznie dobrze urodzeni. Dla młodzieńców z rodzin mieszczańskich (choć z wyjątkiem Żydów, ateistów, socjaldemokratów i katolików) stopień porucznika rezerwy był awansem i zbliżeniem się do elity. Einstein po latach wspominał, że jeden z jego nauczycieli był porucznikiem rezerwy i bardzo się tym szczycił. Lubowano się w uniformach i defilowaniu paradnym krokiem (od ćwiczenia owego kroku Thomas Mann dostał zapalenia ścięgna i jego służba wojskowa zakończyła się przedwcześnie po kilku miesiącach). Był to częsty widok – Monachium było także miastem garnizonowym. Może ta wszechobecność wojskowego drylu skłoniła Alberta do następującej refleksji: „Każdy, komu sprawia przyjemność maszerowanie w szeregu przy dźwiękach muzyki, już przez to samo wywołuje we mnie uczucie pogardy; jedynie przez przypadek obdarzono go wielką mózgownicą, gdyż mlecz pacierzowy wystarczyłby najzupełniej na jego potrzeby”. Nie były to poglądy popularne w kraju, w którym starano się upodobnić klasy szkolne do oddziałów wojska, a stosunki nauczycieli i uczniów kształtować na wzór dyscypliny militarnej. Obchodzono uroczyści Dzień Sedanu – rocznicę zwycięstwa nad Francuzami, zmarłemu kanclerzowi Bismarckowi stawiano pomniki, a także poświęcone mu kolumny, jak kraj długi i szeroki. Cesarz Wilhelm II publicznie oświadczał, że szkoły powinny kształtować żołnierską krzepę i wychowywać młodzież na Niemców, a nie na Greków czy Rzymian.

Czemu więc Albert Einstein uciekł z Monachium – miasta, w którym się wychował, jedynego, jakie znał? Nie był sentymentalny, ale mimo to może nas dziwić, że uczony, który później tak wiele podróżował i często zmieniał miejsca pobytu, omijał zawsze Monachium. Czy jeszcze po latach dokuczała mu pamięć banalnych szkolnych powikłań, czy chodziło raczej o głębszą niechęć wobec tego, co już jako chłopak dostrzegł w Niemcach, świadomość, że Monachium nie było i nie mogło być jego ojczystym miastem? Ponieważ niemieckość była zadrą, do której nie chciał się przyznać, więc wolał nie pamiętać o rodzinnym mieście? Bo przecież obiektywnie – gdyby w ludzkim świecie mogło istnieć coś obiektywnego – Monachium to jedno z najświetniejszych miast europejskich, nie miało może splendoru Paryża, energii Londynu czy starożytności Rzymu, ale kwitło tu autentyczne życie kulturalne, artystyczne, naukowe. Gdyby nie był Żydem, w jakimś wszechświecie alternatywnym, spojrzałby może na stolicę Bawarii przychylniej, tak jak widział ją (choć nie bez iskierki ironii) w roku 1902 Thomas Mann:

Monachium jaśniało. Nad paradnymi placami i białymi kolumnami świątyń, nad klasycyzującymi pomnikami i barokowymi pałacami, nad tryskającymi fontannami, nad pałacami i ogrodami rezydencji rozpościerało się promienne niebo z błękitnego jedwabiu, a szerokie, jasne, objęte zielenią i doskonale rozplanowane arterie uliczne zalane były słonecznym żarem pierwszego pięknego czerwcowego dnia.
Szczebiot ptaków i utajona radość nad wszystkimi ulicami. A na placach i w zaułkach turkoce, wzbiera i szumi niespieszne, wesołe życie tego pięknego i dostojnego miasta. Podróżni wszelakiej narodowości jeżdżą po nim małymi powolnymi dorożkami wybiegając z niewybredną ciekawością spojrzeniem w prawo i w lewo na ściany domów i wstępując na szerokie zewnętrzne schody, wiodące do muzeów.
Wiele okien jest otwartych i z wielu wybiega na ulice muzyka, ćwiczenia na fortepianie, skrzypcach lub wiolonczeli, rzetelne i pełne dobrej woli wysiłki dyletantów. W «Odeonie» jednak, jak słychać, odbywają się poważne studia przy wielu fortepianach.
Młodzi ludzie gwiżdżąc motyw Nothunga i zapełniając wieczorem ostatnie rzędy modnego teatru wchodzą i wychodzą przez drzwi uniwersytetu i biblioteki państwowej z pismami literackimi w bocznych kieszeniach kurtek. (…) Młodzi malarze w okrągłych kapelusikach, zsuniętych w tył głowy, luźno zawiązanych krawatach i bez laski, beztroskie chłopaki, co opłacają komorne kolorowymi szkicami, idą oto na spacer, chcąc, aby to błękitne przedpołudnie wywołało w nich nastrój.

Urodzony w Lubece, Thomas Mann właśnie w Monachium rozpoczynał swoją pisarską karierę, obracał się wśród pisarzy, artystów, uczonych, przedstawicieli cyganerii i akademików, korzystał z bogatego życia koncertowego i teatralnego. Pisarz ożenił się tu, wychowywał dzieci, założył dom i gdyby nie naziści, prawdopodobnie nadal Monachium stanowiłoby centrum jego pracowitego życia.

Tymczasem Albert Einstein zjawił się u rodziców w Mediolanie, przekonując, że teraz będzie uczył się sam i że będzie zdawać na Politechnikę w Zurychu, która nie wymagała matury, jeśli się zdało egzamin wstępny. Zaczął uczyć się włoskiego i wszystko go we Włoszech zachwycało: galerie obrazów, życie uliczne, słońce. Nic nie wiemy o jego wizytach w monachijskich przybytkach sztuki, tamtejsze muzea, teatry i koncerty nie pozostawiły żadnych śladów. Może był za młody, nie miał jeszcze szesnastu lat. Ale przecież ktoś, kto czytał Kanta, musiał także z pewnością słyszeć o Wagnerze, o artystach, o uniwersytecie. Wydaje się, jakby młody Albert Einstein dopiero w Mediolanie odkrywał to, co mógłby z powodzeniem znaleźć także w swym rodzinnym Monachium, mieście z pewnością nie mniej europejskim.

Oczywiście, mogło tu swoje zrobić odkrycie Południa, co dla przybyszy z mniej nasłonecznionych krain bywało przeżyciem nieledwie mistycznym. Pisał Friedrich Nietzsche: „Nie mam dość siły na Północ – królują tam ciężkie i przemyślne dusze, pracujące tak wytrwale i koniecznie nad środkami ostrożności, niczym bóbr przy swej tamie. I pomyśleć, że spędziłem wśród nich całą młodość!” Także na Albercie Einsteinie Włochy wywarły wrażenie, chętnie wracał później do wspomnień, a nawet do języka włoskiego, którego nieźle się zdążył nauczyć, mimo że zawsze deklarował brak zdolności językowych, tłumacząc tym nawet swoją niechęć do programu klasycznego gimnazjum w Monachium. Odkrycie Południa rozciągnęło się też chyba dla niego na dłuższy czas: pod koniec grudnia Mediolan niekoniecznie jest dużo jaśniejszy od Monachium. Albert nie widział zresztą zbyt wiele Włoch oprócz Mediolanu, Pawii i Genui, krótkiego pobytu w Wenecji. Nie starał się też nigdy o zamieszkanie we Włoszech na stałe, nie myślał, aby tam studiować. Wracał jedynie na okresy wolne od zajęć na Politechnice w Zurychu, wcześnie też zaczął odkładać pieniądze na uzyskanie obywatelstwa szwajcarskiego.

Ucieczka z Monachium stała się dla młodego Alberta wyzwoleniem. Podobała mu się włoska bezpośredniość w obcowaniu z ludźmi, pod tym względem był raczej impulsywnym południowcem. Rzecz była jednak głębsza: on także nie należał do bobrów pracowicie wznoszących tamy, już prędzej był falą, która owe tamy przerywa. Włochy mogły też przemawiać do artystycznej strony jego osobowości, choć nigdy później nie interesował się szczególnie architekturą, rzeźbą czy malarstwem. Cenił ideał prostego życia ludzi wolnych, codzienną kulturę Włoch, ale bliższa stała mu się Szwajcaria i zapewne nie tylko z racji języka. W miarę jak kształtowały się jego poglądy polityczne, zaczął przeciwstawiać liberalną i demokratyczną Szwajcarię autorytarnym i zmilitaryzowanym Niemcom.

Jego ojczyzna i mała ojczyzna, Heimat, dały mu język: zarówno rubaszny szwabski dialekt, jak subtelny i dobitny środek wyrazu pisarzy i filozofów, uczył się coraz lepiej nim posługiwać, w nim formułował myśli, nie zmieniły tego nawet lata pobytu w Ameryce. Trudniejszym darem był trwały i głęboki głęboki sceptycyzm wobec obiegowych opinii. Postawy takiej nie nabywa się dobrowolnie i bezboleśnie, kto jednak potrafi z nią żyć i odnaleźć równowagę, ten nie będzie chciał się karmić łatwymi złudzeniami i nie zabraknie mu odwagi, by zrywać nawet silne więzy, kiedy wymaga tego wierność sobie. Albert Einstein nie mieścił się w żadnym opresyjnym systemie: to nie przypadek, że będzie jednym z nieprzejednanych przeciwników narodowego socjalizmu. Można sądzić, że nigdy by się z nim nie pogodził, nawet gdyby nie był Żydem.
Sceptycyzm łatwo prowadzi do zwątpienia. Einstein był jednak człowiekiem wiary. Dziecięcy zapał religijny przeniósł się na naukę i nigdy nie osłabł, nawet wtedy, gdy jego praca latami nie przynosiła owoców. Niezachwianie wierzył w bezosobowy i ponadosobisty ład świata i można by do niego zastosować, z większą może trafnością, to, co mówiono o Heinem: iż jest on Unglaubengenosse Spinozy – towarzyszem Spinozy w niewierze. Była to bowiem niewiara gorąca i żarliwa, a zarazem chłodna i poddana rozumowi i Albert gotów był jej służyć już w tamtej chwili, kiedy po raz pierwszy zadecydował o swym losie i na zawsze porzucił Monachium.

Skąd się bierze Maxwellowski rozkład prędkości cząsteczek w gazie doskonałym?

James Clerk Maxwell podał w roku 1859 postać rozkładu prawdopodobieństwa prędkości cząsteczek w gazie doskonałym. Okazuje się, że prawdopodobieństwo, iż np. x-owa składowa prędkości losowo wybranej cząsteczki należy do przedziału równe jest

gdzie jest stałą normalizacyjną (wybraną tak, aby prawdopodobieństwo zdarzenia pewnego było równe 1). Jest to słynny rozkład Gaussa, zwany też rozkladem normalnym, gdyż pojawia się on w najróżniejszych kontekstach.

Składowa x-owa prędkości danej cząsteczki zmienia się wskutek zderzeń z innymi cząsteczkami w sposób przypadkowy i w rezultacie opisywana jest takim rozkładem o kształcie dzwonu. Jeśli całkowita energia gazu jest stała, to stała jest także suma kwadratów wszystkich prędkości:

( jest masą cząseczki gazu). Kwadrat każdego wektora jest sumą trzech kwadratów jego współrzędnych. Oznaczając więc wszystkie składowe wszystkich prędkości cząsteczek gazu jako , mamy -wymiarową przestrzeń prędkości. Warunek stałości energii przyjmuje postać:

co geometrycznie oznacza, że koniec wektora prędkości leży na powierzchni sfery o promieniu (sfera ma o jeden wymiar mniej niż przestrzeń).

Aby wyprowadzić rozkład Maxwella, przyjmijmy najprostsze założenie: każde położenie końca wektora na sferze jest jednakowo prawdopodobne.

Szukamy teraz rozkładu prawdopodobieństwa którejkolwiek pojedynczej składowej np. (jest ona jednocześnie x-ową składową prędkości cząsteczki nr 1). W przypadku sfery możemy to narysować.

Prawdopodobieństwo, że x bedzie leżeć w cienkim pasie sfery zaznaczonym na rysunku jest proporcjonalne do pola powierzchni pasa sferycznego równej iloczynowi długości razy szerokość:

Sumując pola powierzchni takich pasów, czyli całkując, otrzymamy wzór na pole powierzchni sfery :

Prawdopodobieństwo znalezienia końca wektora w pasie sferycznym byłoby w takim razie równe ilorazowi obu tych wielkości

Szerokość naszego pasa jest zarazem „polem” sfery , tzn. długością okręgu o promieniu (co widać z rysunku). Dla trójwymiarowego wektora rozkład ten nie jest szczególnie interesujący. Fizycznie odpowiadałby jednocząstkowemu gazowi doskonałemu. Prędkość tej jednej jedynej cząsteczki przyjmuje z równym prawdopodbieństwem dowolny kierunek w przestrzeni. Długość wektora jest określona przez energię tej cząstki.

Ostatnie wyrażenie dla prawdopodobieństwa można zastosować równie dobrze w przestrzeni -wymiarowej. Możemy zawsze ustalić wartość jednej ze współrzędnych . Pozostałe współrzędne spełniają wtedy warunek

i jest to jedyne ograniczenie. Znaczy to, że pozostałe składowe leżą na sferze wymiarze o jeden mniejszym i mniejszym promieniu. Pole powierzchni sfery jest równe pewnej stałej zależnej od wymiaru razy promień sfery do potęgi -tej:

Korzystając z tego faktu możemy szukane prawdopodobieństwo zapisać w postaci

Ostatnie wyrażenie możemy dla dużych wartości zapisać jako potęgę liczby :

Parametr jest równy

gdzie jest energią przypadającą na jedną cząsteczkę gazu. Możemy wyrazić tę ostatnią energię za pomocą temperatury :

Otrzymaliśmy rozkład Maxwella. Stałą można znaleźć z warunku unormowania (można ją też obliczyć bezpośrednio, potrzeba jednak wówczas wiedzieć więcej nt. stałych , czyli postaci wzoru na pole sfery ).

Rozkład Maxwella wynika więc z założenia o równomiernym rozkładzie prawdopodobieństwa na sferze w przestrzeni -wymiarowej. Założenie to nazywane jest rozkładem mikrokanonicznym i jest jednym z postulatów fizyki statystycznej. Wyobrażamy sobie, że stan naszego układu, czyli wektor wędruje po dozwolonej powierzchni w taki sposób, że jego koniec może znaleźć się z jednakowym prawdopodobieństwem w otoczeniu każdego punktu sfery. Jest to założenie ergodyczności.

Oczywiście, nie znaczy to, że układ zderzających się cząstek gazu musi być ergodyczny. Jak to często bywa w fizyce: z jednej strony pośrednio sprawdzamy to założenie, badając rozmaite jego konsekwencje i porównując z doświadczeniem. Z drugiej strony, można badać pewne proste przypadki, aby sprawdzić, czy założenie ergodyczności jest prawdziwe w tych sytuacjach. W 1963 r. Yakov Sinai, wybitny matematyk rosyjski, udowodnił, że gaz doskonały sztywnych zderzających się kul jest ergodyczny.

W pewnej chwili zamieniliśmy wartoscią . Nie są one ściśle biorąc równe, mamy bowiem

Dodatkowy czynnik pod pierwiastkiem nie ma znaczenia, gdy wartości są duże. Widać to też z rysunku: gdy , to

Elementy – Euklides (ok. 300 p.npe.)

Myślimy często o starożytnej Grecji jako o cywilizacji, która dała nam filozofię, teatr, poezję, historię, sztukę, logikę, demokrację. Mniej dostrzegane są początki nauk ścisłych, które, wbrew wszelkiemu prawdopodobieństwu, osiągnęły u Greków niezwykle wysoki poziom. Dwa najważniejsze dzieła, Elementy i Almagest, powstały w Aleksandrii, pierwsze na początku świetności miasta, drugie już pod jej koniec. Oddzielone od siebie ponad czterema wiekami, skondensowały w sobie to, co najlepsze w starożytnym dorobku. A bez greckiej geometrii i astronomii nie do pomyślenia byłaby późniejsza nauka islamska, a także praca Mikołaja Kopernika i jego następców prowadząca do rewolucji naukowej XVII wieku.

Tekst Elementów, podzielony na trzynaście ksiąg, obejmuje w sposób systematyczny najważniejsze osiągnięcia matematyki greckiej przed Archimedesem. Napisane około roku 300 p.n.e. dzieło było przez wieki kopiowane zarówno w greckim oryginale, jak i w przekładach na hebrajski, arabski i łacinę, a od 1482 roku zaczęło ukazywać się drukiem w niezliczonych wydaniach książkowych, które liczbą ustępują tylko wydaniom Biblii. Aż do początku XIX wieku znano tekst Euklidesa jedynie w redakcji Teona z Aleksandrii, uczonego z IV w.n.e., ojca Hypatii. W 1808 r. François Peyrard, pierwszy bibliotekarz École Polytechnique w Paryżu, odkrył, iż rękopis Elementów zrabowany z Watykanu przez Napoleona (Vaticanus graecus 190, zwany też P) jest wcześniejszą wersją dzieła. Stała się ona później podstawą definitywnego wydania opracowanego przez duńskiego filologa Johana Ludviga Heiberga.

[Vaticanus graecus 190]

Dzieło Euklidesa nie było pierwszym noszącym ten tytuł, szybko stało się jednak klasyczne, czego pośrednim dowodem jest fakt, że nie zachowały się niemal żadne wcześniejsze teksty matematyczne – w czasach gdy kopiowanie książek było kosztowne i pracochłonne, następowała swoista selekcja naturalna rękopisów, w której te bardziej przydatne wypierały mniej użyteczne. Elementy są najwcześniejszym zachowanym greckim traktatem poświęconym matematyce, ponieważ stanowią one podręcznik, z którego można nauczyć się podstaw matematyki. Stosowane były w tej funkcji nie tylko w starożytności, ale i w czasach późniejszych aż po dziewiętnasty wiek.

Zadziwiająco mało wiemy o autorze tekstu, nawet jego istnienie podawano w wątpliwość, argumentując, że dzieło jest niejednorodne i różne jego księgi wykazują rozmaity stopień dojrzałości. Na ogół sądzi się jednak, że Euklides działał i prawdopodobnie także urodził się w Aleksandrii, mieście niedługo wcześniej założonym przez Aleksandra Wielkiego i przez długie wieki stanowiącym ośrodek nauki i kultury greckiej. Według Proklosa, neoplatończyka z V w.n.e., Euklides żył za panowania Ptolemeusza I i był młodszy niż krąg uczniów Platona, a starszy od Archimedesa i Eratostenesa. Miał być platonikiem i z tego powodu dzieło jego kulminowało konstrukcją i omówieniem pięciu brył platońskich, znanych z Timajosa. Euklidesa nie uważano nigdy za oryginalnego twórcę, sądzono, że zebrał on i usystematyzował osiągniecia poprzedników, w szczególności Eudoksosa i Teajteta. Elementy nie są jednak prostą kompilacją znanego już materiału, lecz próbą zbudowania dedukcyjnego systemu wiedzy matematycznej. Możliwe, że tak jak i w późniejszej historii matematyki, po okresach szybkich postępów następowały okresy systematyzacji i porządkowania wiedzy i Elementy są świadectwem takiego dążenia. Choć odkrycia późniejszych matematyków, takich jak Archimedes, Apoloniusz i Pappus, znacznie wykroczyły poza problematykę Elementów, dzieło to pozostało najszerzej używanym podręcznikiem w historii. Jego znaczenie nie ogranicza się do matematyki: dedukcyjny system wiedzy stał się ideałem wielu późniejszych filozofów i uczonych. W naukach ścisłych aż do dziś uważa się możliwość ustrukturyzowania wykładu na wzór greckiej geometrii za ważny sprawdzian dojrzałości danej dyscypliny. Wprowadzając postulaty, z których następnie wyprowadzamy twierdzenia, osiągamy pojęciową jasność i większą przejrzystość konstrukcji myślowych, musimy bowiem uświadomić sobie jasno przyjęte założenia.

Pamiętać też należy, iż grecka geometria nie była traktowana jako abstrakcyjna gra logiczna, lecz jako teoria wywodząca się z obserwacji dotyczących ciał w przestrzeni, stanowiła więc i nadal stanowi (wraz z nieeklidesowymi rozszerzeniami) podstawę fizyki. Można więc traktować ją jako pierwszą matematyczną teorię fizyczną. Kiedy niedługo później Archimedes w podobny sposób ujmował zasady równowagi ciał, rozszerzał niejako geometrię, tworząc zarazem pierwszą fizykę matematyczną.

Poniżej skoncentrujemy się na przedstawieniu metody postępowania Euklidesa, ograniczając się do tego, co było znane i czytane najszerzej i nie ograniczało się tylko do samej matematyki. Aksjomatyczna konstrukcja wiedzy jest osiągnięciem greckim nie mniejszym niż demokratyczne rządy albo rzeźba. Dzięki Euklidesowi nigdy już nie stracono z oczu, przynajmniej w kręgu śródziemnomorskim, owej metody uzyskiwania zdań niezbitych i pewnych. Jeśli prawdą jest, że (jak ujął to Alfred North Whitehead) filozofia europejska stanowi ciąg przypisów do Platona, to z niemniejszą dozą słuszności powiedzieć można, że nauki ścisłe – fizyka w nie mniejszym stopniu niż matematyka – stanowią rozbudowany komentarz do Elementów Euklidesa.

Każda z ksiąg (albo grup ksiąg) poprzedzona jest definicjami. Księga pierwsza zaczyna się od wymienienia pięciu postulatów geometrii oraz pięciu ogólniejszych prawidłowości odnoszących się do tego, co Euklides nazywa wielkościami – może tu chodzić (jak czytelnik dowiaduje się przy okazji kolejnych twierdzeń) o długość odcinka, wielkość kąta, pole powierzchni czy objętość pewnych brył. Następnie z owych dziesięciu założeń wyprowadzane są kolejne twierdzenia oraz konstrukcje. Księgi I-IV oraz VI, XI-XIII poświęcone są geometrii, sięga V zawiera wykład teorii proporcji Eudoksosa (odgrywały one w matematyce greckiej rolę dzisiejszych liczb rzeczywistych), księgi VII-IX dotyczą arytmetyki, w księdze X dyskutowane są rozmaite rodzaje liczb niewymiernych, zawsze jednak traktowanych jako proporcje długości pewnych odcinków. Ostatnia księga XIII kończy się twierdzeniem, że istnieje dokładnie pięć brył platońskich (sześcian oraz foremne: czworościan, ośmiościan, dwunastościan i dwudziestościan).

Podejście Euklidesa niewątpliwie wiele zawdzięcza istniejącej już tradycji matematycznej, a także platońskiemu rozróżnieniu między przedmiotami postrzeganymi przez zmysły a bytami idealnymi: korzystając z rysunków, traktuje je tylko jako pomoc w wyobrażeniu sobie, jak mają się do siebie idealne figury geometryczne. Koncepcję uporządkowania wiedzy, zaczynając od założeń, których prawdziwość przyjmuje się bez dowodu, znaleźć można u Arystotelesa, nie wiadomo jednak, czy występuje tu jakaś bezpośrednia zależność, czy tylko wspólna tradycja filozoficzna. Geometria stała się pierwszą wyspecjalizowaną dziedziną wiedzy, uprawianą nie ze względów praktycznych, lecz dla niej samej. Wysokie mniemanie o pedagogicznych wartościach geometrii żywił Platon, sądząc, że kieruje ona uwagę ku temu, co wieczne i niezmienne. Stobajos przytacza następującą anegdotę:

Ktoś zaczął się uczyć u Euklidesa i kiedy poznał pierwsze twierdzenie, spytał:
– Co mi przyjdzie z tego, żem się tego nauczył?

Na to Euklides zawołał niewolnika i powiedział:

– Daj mu trzy obole, jeśli musi mieć zysk z tego, czego się uczy.

Omówimy bliżej główne linie rozumowania księgi I Elementów. Tekst poprzedzają 23 definicje, np. „Punkt jest tym, co nie ma żadnych części”, „Linia zaś jest długością bez szerokości”, „Równoległe są proste, które będąc na tej samej płaszczyźnie rozciągają się bez kresu w obie strony, ale w żadnej części się nie przetną” (przeł. M. Roszkowski). Linia prosta u Euklidesa jest zawsze skończona, tzn. jest odcinkiem wedle dzisiejszej terminologii. Dzisiejsi matematycy nie definiują wszystkich pojęć danej teorii, część z nich muszą bowiem stanowić pojęcia pierwotne, które przyjmuje się bez definicji, a ich sens ujawnia się dopiero, gdy badamy, w jaki sposób pojęcia występują one w aksjomatach i twierdzeniach.

Pięć postulatów głosi kolejno, że

1. Z każdego punktu do każdego innego można poprowadzić prostą (odcinek).
2. Odcinek można (obustronnie) przedłużać.
3. Z dowolnego środka można zakreślić okrąg przechodzący przez dany punkt.
4. Wszystkie kąty proste są wzajemnie równe.
5. Jeśli prosta przecina dwie inne proste, tworząca dwa kąty wewnętrzne mniejsze (w sumie) od dwóch kątów prostych, to można owe dwie proste przedłużyć tak, aby się przecięły.

Kąt prosty zdefiniowany jest tak, jak to widać na rysunku: gdy oba kąty utworzone przez półprostą o początku leżącym na danej prostej są równe, to kąty są kątami prostymi. Postulat 4 głosi, że dowolne kąty proste są równe, co znaczy tyle, że są przystające – mogą być na siebie nałożone tak, aby ich wierzchołki oraz ramiona się pokrywały (Euklides nie mówi tego wprost).

Pięć aksjomatów ogólnych stwierdza (w redakcji M. Kordosa):
1. Dwie wielkości równe trzeciej są równe.
2. Dodając do równych równe, dostajemy równe.
3. Odejmując od równych równe, dostajemy równe.
4. Wielkości dające się zamienić są równe.
5. Część jest mniejsza od całości.

Aksjomaty te stosowane są do porównania długości, kątów, figur, jak np. trójkąty. Mniejszy oznacza np. w przypadku odcinków, że po ich nałożeniu zostaje jeszcze jakaś niepokryta część większego (całości). Euklides nie posługuje się żadnymi miarami, porównuje tylko wielkości między sobą. Dlatego np. trójkąty są równe, gdy są przystające (można je na siebie nałożyć), ale także, gdy mają np. wspólną podstawę oraz jednakowe wysokości – dziś powiedzielibyśmy, że ich pola powierzchni są równe. Euklides nie myślał o długości jako liczbie, ani o polu prostokąta jako iloczynie długości boków, porównywał co najwyżej między sobą dwie wielkości.

Cały wykład podzielony jest na zagadnienia, które mogą być albo rozwiązaniem problemu konstrukcyjnego, albo twierdzeniem. W księdze I znajduje się 48 zagadnień, twierdzenie I,47 to twierdzenie dziś nazywane tw. Pitagorasa, I,48 to twierdzenie do niego odwrotne. Przyjrzyjmy się postępowaniu Euklidesa. Stosujemy dla przejrzystości nieco uwspółcześnioną terminologię, sformułowania nasze nie są wprawdzie dosłownym przekładem oryginału, ale też i nie odbiegają od niego zbyt daleko.

I,1 Mając dany odcinek AB, skonstruować na nim trójkąt równoboczny.

Konstrukcja sprowadza się do zakreślenia dwóch okręgów (Post. 3), które wyznaczą punkty przecięcia (co jednak nie wynika z aksjomatów Euklidesa, choć jest prawdą). Mając punkt przecięcia C, budujemy dwa odcinki AB oraz BC (Post. 1). Odcinki te są równe, ponieważ równe są odcinkowi AB (Aksj. 1). Trójkąt jest więc równoboczny. Warto zwrócić uwagę na eliminowanie kroków „oczywistych” i zastępowanie ich odwołaniami do postulatów i aksjomatów – w tym leży matematyczna siła Euklidesa, choć w oczach mniej matematycznie nastawionego czytelnika wywołuje to wrażenie (może nadmiernej) pedanterii.

I,2 Mając dany odcinek BC oraz punkt A nie leżący na nim, skonstruować odcinek AE=BC.

Łączymy w tym celu punkty AB (Post. 1) i budujemy trójkąt równoboczny za pomocą I,1. Promieniem BC zakreślamy okrąg o środku B (Post. 3). Przedłużamy następnie odcinek BD (Post. 2) do przecięcia z tym okręgiem H. Następnie promieniem HD zakreślamy okrąg o środku D. Przedłużenie AD (Post. 2) przetnie się z tym okręgiem w punkcie E. Odcinek AE (Post. 1) jest szukanym odcinkiem równym BC. Z aksjomatów ogólnych łatwo wnioskujemy, że odcinki te są równe, tzn. równe są ich długości (promień większego okręgu na rysunku to suma AB i boku trójkąta, odejmując potem bok trójkąta, otrzymujemy naszą tezę).
Warto zauważyć, że konstrukcje Euklidesa wykonywane są za pomocą linijki bez żadnej skali oraz cyrkla, który także nie pozwala przenosić odległości, lecz tylko poprwadzić okrąg z danego środka przez dany punkt (po przeniesieniu cyrkiel „nie pamięta” swego rozwarcia). Dzięki I,2 możemy uwolnić się od tego ograniczenia i odtwarzać odległość dwóch punktów w innym miejscu.

I,4 Dwa trójkąty, których dwa boki oraz zawarty między nimi kąt są równe, są przystające (równe).

Jest to cecha przystawania trójkątów bok-kąt-bok (bkb). Euklides dowodzi tego twierdzenia, nakładając na siebie oba trójkąty. Nie jest to postępowanie oczywiste, jeśli nie uważamy naszych figur za sztywne obiekty, które można przemieszczać bez zmiany kształtu i długości. David Hilbert przyjął w XIX w. to twierdzenie za jeden z aksjomatów w swoim wykładzie geometrii euklidesowej.

I,5 W trójkącie równoramiennym ABC, w którym AB=BC, kąty wewnętrzne przy podstawie są równe.

Przedłużamy ramiona trójkąta o jednakowe odcinki BF=CG. Trójkąty ABG i ACF są przystające na mocy poprzedniego twierdzenia, zatem także kąty ABG oraz ACF są równe. Trójkąty BFC i CGB są przystające na mocy tego samego twierdzenia (kąty BFC i BGC są równe, gdyż oba trójkąty pierwszej pary są przystające). Kąty ABC i BCA można przedstawić jako różnicę odpowiednio równych kątów (np. \sphericalangle ABC=\sphericalangle ABG-\sphericalangle CBG), muszą zatem być równe.
Twierdzenie to zyskało w średniowieczu nazwę Pons asinorum („ośli most”), nie wiadomo, czy z powodu kształtu towarzyszącego mu rysunku, czy też dlatego, że w tym miejscu ujawniał się już podział na tych, którzy rozumieją geometrię i na tych, którzy jej nie rozumieją. Pappus przedstawił prostszy dowód, w którym I,4 stosujemy do trójkątów BAC i CAB: ich boki są parami równe, a kąt przy wierzchołku jest tym samym kątem BAC, zatem oba trójkąty są przystające i kąty przy podstawie są równe. Euklides mógł mieć opory przeciwko takiemu potraktowaniu jednego trójkąta jako dwóch.

I,6 Jeśli kąty przy podstawie trójkąta są równe, to trójkąt jest równoramienny.

Euklides dowodzi tego twierdzenia przez sprowadzenie do niedorzeczności (reductio ad absurdum). Zakładamy, że teza twierdzenia jest fałszywa, a następnie staramy się wykazać, że wynika stąd zaprzeczenie założeń twierdzenia. Jeśli AB\neq AC, to któryś z odcinków jest większy, tzn. ma większą długość. Załóżmy, że AB>AC. Możemy wówczas na odcinku AB odłożyć odcinek AD=AC. Kąt DCB jest zatem mniejszy od kąta ACB. Jednocześnie trójkąt DBC jest równoboczny, a więc kąty DCB i DBC są równe na mocy poprzedniego twierdzenia. Kąt DBC jest tym samym, co kąt ABC, ergo ABC jest mniejszy od ACB wbrew założeniu.

I,9 Skonstruować dwusieczną danego kąta.

Na ramionach kąta odkładamy równe odcinki AD i AE. Następnie na odcinku AD konstruujemy trójkąt równoboczny. Jego trzeci wierzchołek wraz z wierzchołkiem kąta wyznaczają szukaną dwusieczną, co można łatwo udowodnić: kąty ADE i AED są równe jako kąty przy podstawie trójkąta równoramiennego. W takim razie także kąty ADF i AEF są równe i oba trójkąty ADF i AEF są przystające. Wobec tego kąty DAF i FAE są równe c.n.d.

I,11 Skonstruować prostopadłą do danej prostej w punkcie D.

Wyznaczamy na prostej dwa punkty A i B w równych odległościach od D: AD=DB. Następnie na odcinku AB konstruujemy trójkąt równoboczny. Jego trzeci wierzchołek C wraz z punktem D wyznaczają szukaną prostopadłą. Aby to udowodnić, zauważamy, że trójkąty ADC i BDC są przystające, a zatem kąty CDA i CDB są równe – spełniona jest więc definicja kąta prostego i oba te kąt są równe kątowi prostemu. Tym samym DC jest prostopadła do prostej AB.

I,20 (Nierówność trójkąta) Dwa boki trójkąta razem są dłuższe od trzeciego boku.

Niech będzie dany trójkąt CAB, chcemy dowieść, że odcinki AC wraz z CB są większe od AB. W tym celu na przedłużeniu AC odkładamy odcinek CD=CB. Kąt ABD jest większy od kąta CBD. Ten ostatni równy jest kątowi CDB, czyli ADB. W trójkącie ABD naprzeciwko większego kąta leży większy bok (I, 19; nie przytaczamy dowodu), a zatem AD=AC+CB>AB (stosując współczesny zapis).
Z twierdzenia tego wynika, że długość łamanej łączącej dwa punkty jest zawsze większa niż długość odcinka łączącego te punkty. W konsekwencji, jeśli połączymy oba punkty jakąś krzywą gładką, ale taką że zarówno samą krzywą, jak i jej długość można dowolnie przybliżać za pomocą łamanych, to długość łuku krzywej nie może być mniejsza niż długość odcinka łączącego dane punkty. Inaczej mówiąc, odcinek jest krzywą o najmniejszej długości (przy ustalonych obu końcach). Euklides nie dowodzi takiego twierdzenia, ale było ono znane greckim geometrom.
Dopiero blisko połowy księgi I staje się potrzebny Postulat 5.

I,29 Jeśli prosta EF przecina parę prostych równoległych AB i CD, to kąty naprzemianległe wewnętrzne są równe.

Wykażemy, że kąt AGF równy jest kątowi EHD. Załóżmy, że oba te kąty nie są równe. Niech np. AGF będzie większy od EHD. Ponieważ kąty AGF i BGF dopełniają się do dwóch kątów prostych (I,14; nie przytaczamy dowodu), więc suma kątów BGF i EHD jest mniejsza od dwóch kątów prostych. Z Post. 5 wynika, że proste AB i CD (po ewentualnym przedłużeniu) przetną się, nie są zatem – wbrew założeniu – prostymi równoległymi.
Postulat 5 sformułowany został tak, aby wygodnie się nim było posługiwać do wykazania, że dwie proste nie są równoległe. Nie wydawał się on tak oczywisty jak pozostałe i wzbudzał zawsze rozmaite wątpliwości. Jest on równoważny innemu postulatowi sformułowanemu przez Playfaira: Przez punkt nie leżący na danej prostej można przeprowadzić dokładnie jedną prostą równoległą do danej. Postulat 5 jest także równoważny twierdzeniu o sumie kątów wewnętrznych trójkąta.

I,32 Suma kątów wewnętrznych trójkąta równa jest dwóm kątom prostym.

Wystarczy zauważyć równość zaznaczonych kątów na rysunku (linia przerywana jest równoległa do boku trójkąta).

I,47 (Tw. Pitagorasa) W trójkącie prostokątnym suma kwadratów zbudowanych na przyprostokątnych jest równa kwadratowi zbudowanemu na przeciwprostokątnej.

Zwróćmy uwagę na sformułowanie: należy najpierw skonstruować kwadraty, o których mowa w twierdzeniu, a następnie wykazać, że suma (pól) dwóch mniejszych kwadratów jest równa polu kwadratu największego. Wysokość trójkąta opuszczona z kąta prostego po przedłużeniu dzieli kwadrat na dwa prostokąty. Euklides wykazuje, że dla trójkąta ABΓ oba pola zaznaczone na zielono oraz oba pola zaznaczone na niebiesko są równe.

Dowód Euklidesa korzysta z konstrukcji I,46 kwadratu na danym odcinku oraz linii równoległej do BΔ i ΓE przechodzącej przez dany punkt A (I,31). Wykazuje następnie, że AH jest przedłużeniem AΓ oraz AΘ jest przedłużeniem AB (I,14). Trójkąty ABΔ oraz ZBΓ są przystające na mocy twierdzenia I,4 (bkb). Prostokąt BΛ o podstawie BΔ ma tę samą wysokość co trójkąt ABΔ o tej samej podstawie. Na mocy I,41 prostokąt jest dwa razy większy od trójkąta (to wynik równoważny wzorowi na pole trójkąta, gdy określimy pole prostokąta). Kwadrat BH jest z tego samego powodu dwa razy większy od trójkąta ZBΓ o podstawie ZB. W analogiczny sposób pokazać można, że oba pola zaznaczone na niebiesko są równe, co kończy dowód.

W księdze VI Euklides przytacza inny dowód tw. Pitagorasa, oparty na podobieństwie mniejszych trójkątów na rysunku i trójkąta wyjściowego. Ten drugi dowód znany był prawdopodobnie wcześniej, dowód I,47, pochodzący zapewne od samego Euklidesa, jest bardziej zadowalający matematycznie, gdyż używa mniejszej liczby założeń: w księdze I daleko jeszcze jesteśmy od tak subtelnych konstrukcji jak figury podobne.
Ostatnie twierdzenie tej księgi I,48 jest odwrotne do tw. Pitagorasa: Jeśli spełniony jest warunek pól dla kwadratów zbudowanych na bokach trójkąta, to trójkąt ów jest prostokątny.

Elementy są podręcznikiem i były nim już w chwili powstania. Ścisłość rozumowań Euklidesa stała się wzorem dla przyszłych matematyków. Wybitny matematyk XX wieku André Weil pisał: „ [Elementy] Euklidesa to pierwszy zachowany tekst matematyczny, w którym pojęcie dowodu utożsamione zostało z łańcuchem wnioskowań pozbawionym luk; nie bez powodu ten sposób widzenia przedmiotu zachował swą aktualność do dziś”.

Nie sposób oczywiście przedstawić nawet pobieżnie wpływu książki czytanej w ciągu dwudziestu kilku wieków przez tysiące ludzi: wybitnych matematyków, jak i myślicieli czy po prostu uważnych czytelników mniej lub bardziej oddalonych od nauk ścisłych.

Greckie manuskrypty Elementów przechowywane były w Bizancjum. Od nich pochodziły przekłady arabskie, które z kolei dały początek rozpowszechnianiu się tekstu zarówno na Wschód (języki hebrajski, syryjski, perski), jak i na Zachód (łacina). W europejskim średniowieczu przekładano Euklidesa z arabskiego na łacinę wielokrotnie w wieku dwunastym i później. Już sama międzynarodowa lista tłumaczy daje pojęcie o zainteresowaniu Elementami: Adelard z Bath, Hermann z Karyntii, Gerard z Cremony, Robert z Chester, Campanus z Novary. Przekład tego ostatniego stał się podstawą pierwszego drukowanego wydania Elementów w Wenecji w roku 1482. W XVI wieku udało się też dotrzeć do tekstu greckiego (w wersji Teona). Od tamtej pory ukazały się niezliczone wydania oraz przekłady na języki narodowe (brak nadal kompletnego przekładu polskiego, choć już w 1808 Józef Czech, dyrektor Liceum Krzemienieckiego, przełożył osiem ksiąg, opierając się na angielskiej wersji Roberta Simonsa).

Twierdzenie Pitagorasa w weneckim wydaniu z 1482 r. (numeracja twierdzenia lekko w nim szwankowała)

Geometria oraz arytmetyka miały w średniowieczu mocną pozycję jako sztuki wyzwolone wchodzące w skład quadrivium („czterodroże”) wraz z astronomią i muzyką (która obejmowała głównie teoretyczną naukę o proporcjach dźwięków w różnych skalach). Także i później podstawy geometrii stanowiły nieodzowny element wykształcenia, Elementów długo jeszcze używano jako podręcznika. Bertrand Russell, logik i filozof, wspomina: „W wieku jedenastu lat zacząłem Euklidesa z moim bratem w roli tutora. Było to w moim życiu wielkie wydarzenie, równie olśniewające co pierwsza miłość. Wcześniej nie wyobrażałem sobie nawet, że istnieje na świecie coś tak zachwycającego. Kiedy przeszedłem Zagadnienie 5 (Pons asinorum), brat powiedział mi, że powszechnie uchodzi ono za trudne, ja jednak nie napotkałem w nim żadnych trudności. To wtedy po raz pierwszy zaświtało w mej głowie, że może obdarzony zostałem jakąś inteligencją”. Kilka lat młodszy Albert Einstein nie uczył się wprawdzie z Elementów, lecz z podręcznika będącego ich zmodernizowaną wersją; także dla niego odkrycie geometrii było wielkim przeżyciem, wspominał potem podręcznik jako „świętą książeczkę”, co w jego ustach – uduchowionego niedowiarka i spinozisty – miało swoją wymowę. Einstein sądził wręcz, że głęboki wstrząs intelektualny, jaki wówczas przeżył, stanowi niejako rodzaj probierza, czy ktoś się do nauki nadaje, czy nie. Zanim jeszcze podręcznik trafił w jego ręce, udało mu się znaleźć dowód twierdzenia Pitagorasa oparty na podobieństwie trójkątów (VI,31).

Metoda geometryczna kusiła też filozofów. Thomas Hobbes, mając już czterdzieści lat, natknął się w bibliotece znajomego gentlemana na egzemplarz Elementów, które otwarte były na stronie zawierającej twierdzenie Pitagorasa. Przeczytawszy jego treść, wykrzyknął: na Boga, to niemożliwe! Potem jednak cofając się stopniowo do twierdzeń, na których oparty był dowód, zrozumiał, że rozumowanie Euklidesa jest bez zarzutu. René Descartes sam był wybitnym matematykiem i z geometrią zapoznał się wcześnie w jezuickim kolegium w La Flèche. Właśnie na goemetrii wzorował się w swym podejściu do filozofii, która miała być nowym początkiem ludzkiej wiedzy. „Owe długie łańcuchy uzasadnień, zupełnie proste i łatwe, którymi zazwyczaj posługują się geometrzy, by dotrzeć do swych najtrudniejszych dowodzeń, dały mi sposobność do wyobrażenia sobie, że wszystkie rzeczy dostępne poznaniu ludzkiemu wynikają w taki sam sposób wzajemnie ze siebie, a także, że nie mogą istnieć tak odległe, do których byśmy wreszcie nie dotarli, i tak ukryte, których byśmy nie wykryli, bylebyśmy tylko nie przyjmowali za prawdziwą żadnej rzeczy, która by prawdziwą nie była, i zachowywali zawsze należyty porządek w wyprowadzaniu jednych z drugich” (przeł. W. Wojciechowska, Rozprawa o metodzie, PWN 1981, s. 23). Zdaniem Immanuela Kanta przedmioty, które bada matematyka: przestrzeń i czas nie pochodzą z doświadczenia, ale mają swe źródło w poznającym przedmiocie. Geometria stała się w ten sposób nauką o jedynie możliwej przestrzeni.

Tymczasem matematycy nabierali coraz więcej wątpliwości. Karl Friedrich Gauss już w roku 1813 rozmyślał nad geometrią nieuklidesową, lecz oportunistycznie nie zdecydował się na publikację swych wyników. Także Ferdinand Karl Schweikart, profesor prawa, rozwijał podobne idee w zaciszu gabinetu. Dopiero János Bolyai i Nikołaj Iwanowicz Łobaczewski, niezależnie od siebie zaryzykowali publikację prac sprzecznych z dotychczasową tradycją, nie były one przyjęte dobrze. Obaj zajmowali się geometrią hiperboliczną, w której istnieje nieskończenie wiele prostych równoległych do danej prostej. Postulat 5 Euklidesa jest bowiem niezależny od pozostałych i równie dobrze można zbudować konsekwentną geometrię, wychodząc z jego zaprzeczenia. Pod koniec XIX wieku David Hilbert podał ścisłe sformułowanie geometrii euklidesowej. Znalazło się w nim dwadzieścia aksjomatów, trzy pojęcia pierwotne (punkt, linia prosta, płaszczyzna) oraz cztery relacje pierwotne (leżenia pomiedzy, zawierania oraz przystawania odcinków oraz kątów). Różnica w podejściu między dawną geometrią a jej nowoczesnym, abstrakcyjnym sformułowaniem podkreślona została przez Hilberta następująco: „Powinno się w każdej chwili móc wstawić w miejsce punktów, linii i płaszczyzn – stoły, krzesła i kufle do piwa” (oczywiście pod warunkiem, że obiekty te spełniają aksjomaty geometrii).

Michele Angelo Besso, przyjaciel Einsteina

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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