Henrietta Swan Leavitt i pulsowanie gwiazd (1908-1912)

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

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

leavitt_aavso

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

pickerings_harem

(Leavitt trzecia z lewej)

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

lea

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

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

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

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

Ponieważ przyspieszenie grawitacyjne można zapisać jako

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

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

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

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

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

Konstandinos Kawafis: Czekając na barbarzyńców (1898)

Na cóż czekamy, zebrani na rynku?

Dziś mają tu przyjść barbarzyńcy.

Dlaczego taka bezczynność w senacie?
Senatorowie siedzą – czemuż praw nie uchwalą?

Dlatego że dziś mają przyjść barbarzyńcy.
Na cóż by się zdały prawa senatorów?
Barbarzyńcy, gdy przyjdą, ustanowią prawa.

Dlaczego nasz cesarz zbudził się tak wcześnie
i zasiadł – w największej z bram naszego miasta –
na tronie, w majestacie, z koroną na głowie?

Dlatego że dziś mają przyjść barbarzyńcy.
Cesarz czeka u bramy, aby tam powitać
ich naczelnika. Nawet przygotował
obszerne pismo, które chce mu wręczyć –
a wypisał w nim wiele godności i tytułów.

Czemu dwaj konsulowie nasi i pretorzy
przyszli dzisiaj w szkarłatnych, haftowanych togach?
Po co te bransolety, z tyloma ametystami,
i te pierścienie z blaskiem przepysznych szmaragdów?
Czemu trzymają w rękach drogocenne laski,
tak pięknie srebrem inkrustowane i złotem?

Dlatego że dziś mają przyjść barbarzyńcy,
a takie rzeczy barbarzyńców olśniewają.

Czemu retorzy świetni nie przychodzą, jak zwykle,
by wygłaszać oracje, które ułożyli?

Dlatego że dziś mają przyjść barbarzyńcy,
a ich nudzą deklamacje i przemowy.

Dlaczego wszystkich nagle ogarnął niepokój?
Skąd zamieszanie? (Twarze jakże spoważniały.)
Dlaczego tak szybko pustoszeją ulice
i place? Wszyscy do domu wracają zamyśleni.

Dlatego że noc zapadła, a barbarzyńcy nie przyszli.
Jacyś nasi, co właśnie od granicy przybyli,
mówią, że już nie ma żadnych barbarzyńców.

Bez barbarzyńców – cóż poczniemy teraz?
Ci ludzie byli jakimś rozwiązaniem.

(przeł. Z. Kubiak)

Nie jest to najlepszy wiersz Kawafisa, nieco zbyt retoryczny, zbudowany katechizmowo, nie odwołuje się do konkretnej sytuacji historycznej, ironia jest tu zbyt łatwa. Ale nawet słabszy, wczesny Kawafis, to wciąż Kawafis: z wyobraźnią ożywiającą historię, pozwalającą widzieć zarówno materialne i psychologiczne szczegóły, jak i głębszy sens spektaklu. Oto mamy rozwiniętą cywilizację, która nie ma siły trwać, jej elity skoncentrowane są na dogadzaniu własnej próżności, popisywaniu się bogactwem, pomysłowością w sprawach trzeciorzędnych, błyskotkami i błahostkami. Wszyscy czekają na potop, który by odnowił oblicze ziemi.

Na kilkanaście lat przed wielką wojną światową i wielką rewolucją rosyjską, przed czekistami, czarnymi koszulami i brunatnymi koszulami, stalinami i hitlerami, łagrami i lagrami, poeta z prowincjonalnej Aleksandrii umiał zaglądać w głąb czasu i dobrze rozumiał, na czym polega znużenie światem i tęsknota za rządami silnej ręki, przecinającymi beznadziejne dylematy. Tak słodko wyrzec się wolności. Miliony miały sobie powtarzać: co nam po wolności, skoro i tak nasze życie przypomina dożywotnie więzienie, którego murów sami nie przebijemy.

Każdy czytelnik musi zadać sobie nieuchronne pytanie: kim są owi barbarzyńcy. Dla Greków byli to ci, którzy nie mówili po grecku. Definicja ta w jakimś sensie pozostaje użyteczna do dziś, jeśli rozumieć ją szerzej, a więc nie tylko w odniesieniu do języka, ale i do tego, co się myśli. Grecy nauczyli nas szacunku dla człowieka, podziwu dla jego ciała, umysłu, czasem także charakteru. Uczyli pokory wobec świata, przestrzegali przed hybris, zgubną pychą, która narusza prawa boskie i nieuchronnie wiedzie do katastrofy. Zaszczepili nam zmysł tragedii i koncepcję filozofii. Arystotelesowska definicja prawdy nigdy nie przestała być aktualna (w sformułowaniu św. Tomasza jest to zgodność naszych pojęć z faktami, coś niełatwego do osiągnięcia, lecz bezcennego). Zresztą bez Greków chrześcijaństwo byłoby zaledwie jedną więcej egzotyczną żydowską sektą, nigdy nie osiągnęłoby metafizycznej subtelności i intelektualnej dojrzałości. Także prawa logiki i ich nadużycia, retoryka i demagogia, skodyfikowane zostały przez Greków. Ani druk, ani internet nie dodały tu nic nowego oprócz zgiełku i narastającego z czasem przeświadczenia, że liczy się tylko dzień dzisiejszy, a co wczoraj niewarte jest pamiętania. Zasypywani powodzią nieistotnych słów i obrazów, niczym nartniki po powierzchni wody, ślizgamy się po teraźniejszości, niewiele z niej rozumiejąc.

Jakich barbarzyńców obawia się dzisiejszy świat Zachodu? Islamskich terrorystów, chińskich producentów, kolorowych imigrantów, własnych społeczeństw? Cywilizacje mają swoje przypływy i odpływy, ta zachodnioeuropejska i amerykańska prawdopodobnie chyli się ku upadkowi, a ci, którzy chcą jej bronić są gorsi niż barbarzyńcy przybywający od granic. Zdegenerowane chrześcijaństwo, które nie rozumie, kim był żydowski prorok Jezus z Nazaretu i które jest tylko bezmyślnym klepaniem magicznych zaklęć, wznoszeniem nienawistnych okrzyków i paradowaniem z faszystowskimi symbolami, bez żadnej przyszłości. Ludzie, którzy kłamią, nawet wtedy, kiedy się nie odzywają. Uczestnicy polowań z nagonką na Bogu ducha winne ofiary – ale przecież nikt nie jest niewinny. Nowi dygnitarze, bezmyślni albo powtarzający sobie w duchu, że tak trzeba. Prymitywy, których uniwersum mieści się w telefonie. Barbarzyńców nie trzeba daleko szukać – oni są w nas, w naszych sąsiadach, krewnych i znajomych, wystarczą sprzyjające okoliczności, a chamstwo i brutalność wezmą górę. Jacyś barbarzyńcy zawsze się znajdą, wezmą władzę, która leży na ulicy, i ustanowią swoje prawa, proste jak pałka i płaskie jak umysł towarzysza Płaszczaka.

Pierre Fermat: zasada najmniejszego działania dla światła (1657-1662)

Greccy geometrzy zauważyli, że światło biegnie po najkrótszej drodze, i to zarówno wtedy, gdy porusza się prostoliniowo między dwoma punktami (np. A i C), jak i wówczas, gdy po drodze odbija się od zwierciadła, biegnąc po łamanej ABC. Najkrótszej drodze odpowiada prawo odbicia: kąt odbicia równy jest kątowi padania.

fermat-heron

Rozumowanie z rysunku znajdujemy u Herona z Aleksandrii w jego Katoptryce (czyli optyce zwierciadeł). Jeśli punkt A odbijemy symetrycznie w płaszczyźnie zwierciadła (prostopadłej do rysunku), otrzymujemy A’. Drogi A’B i AB są więc równe. Zamiast ABC możemy rozpatrywać A’BC. Dowolna łamana AXC ma taką samą długość, jak A’XC. Ponieważ każda łamana biegnąca od A’ do C jest dłuższa niż odcinek prostej, więc najkrótsza droga równa jest ABC i punkt B leży wówczas na odcinku A’C. Łatwo widać, że dla takiej drogi kąt odbicia równa się kątowi padania.

W roku 1657 Pierre Fermat, radca parlamentu (czyli sądu) w Tuluzie, otrzymał w prezencie książkę poświęconą światłu.

la_lumiere_cureau_de_la-chambre

Jej autorem był Marin Cureau de La Chambre, lekarz, do którego nastoletni Ludwik XIV, przyszły Król-Słońce miał ogromne zaufanie. Fermat, urzędnik królewski, czuł się w obowiązku zajrzeć do książki doradcy tak uczonego i ustosunkowanego na dworze (zręczność dyplomatyczną autora widać i w tym, że na karcie tytułowej jego własne nazwisko złożone jest znacznie mniejszą czcionką niż nazwisko potężnego kardynała Mazarin). Książka zawierała dowód Herona. Cureau de La Chambre zwracał też uwagę, że gdy światło się załamuje, przebywana przez nie droga już nie jest najkrótsza.

fermat0

Droga ABC jest oczywiście dłuższa niż ADC na rysunku. Fermat znał, jak wszyscy, prawo załamania (prawo Snella), opublikowane przez Kartezjusza w 1637 roku. Nie zgadzał się jednak z fizycznym wyprowadzeniem tego prawa, niezbyt wierzył chyba w te wszystkie niewidzialne cząstki rozmaitych kształtów i wielkości, które miały się ze sobą zderzać i na siebie napierać, tłumacząc absolutnie wszystko: od ruchu planet i optyki, po magnetyzm i ciężkość ciał. Jako matematyk szukał wyjaśnienia elegantszego i mniej uwikłanego w trudne do sprawdzenia przesłanki. Gdyby przyjąć, że w gęstszym ośrodku światło napotyka większy opór, to należałoby drogę w ośrodku liczyć np. podwójnie. A więc nadal można podejrzewać, że światło wybiera najłatwiejszą drogę. Należałoby jednak minimalizować nie sumę dróg, lecz pewną ich kombinację, np. AB+2BC. Gęstszemu ośrodkowi odpowiadałby większy współczynnik: wyglądało to rozsądnie, gdyż u Kartezjusza światło miało „większą siłę” w ośrodku gęstszym, co nie jest zbyt intuicyjne (ani zrozumiałe). Nie chcąc wdawać się w spory na temat natury światła, Fermat unikał mówienia o jego prędkości – bowiem zdaniem kartezjan oraz Cureau de La Chambre światło rozchodzi się momentalnie. Sporów z kartezjanami, uczniami mistrza, nie uniknął, podobnie jak dwadzieścia lat wcześniej z ojcem-założycielem tej sekty filozoficznej. Fermat znany był z wysuwania twierdzeń, których nie chciało mu się albo których nie potrafił dowieść, słynnym przykładem jest jego Wielkie Twierdzenie udowodnione pod koniec XX wieku. Także i tym razem niezbyt chętnie brał się do sprawdzenia, czy rzeczywiście światło podlega zasadzie najmniejszego działania. Miał własną metodę szukania ekstremum, dość toporną z dzisiejszego punktu widzenia, zastąpioną później przez obliczanie pochodnych. W wersji Fermata prowadziła ona do długich rachunków, ale w pierwszym dniu nowego roku 1662 zakomunikował Cureau de La Chambre, że obliczenia się udały i prowadzą do znanego prawa załamania. Niemal pięcioletnie opóźnienie między wysunięciem twierdzenia a zbadaniem jego konsekwencji tłumaczył Fermat dwiema przeszkodami: po pierwsze, nie był całkiem pewien, jak należy sformułować zasadę minimum i czy prawo Snella jest ściśle słuszne. Drugą przeszkodą była, typowa dla matematyków, niechęć do długich rachunków. W tym przypadku w grę wchodziły cztery odcinki, a więc cztery pierwiastki z sumy kwadratów współrzędnych. „Obawa, że po długich i trudnych rachunkach dojdę do jakiejś fantastycznej i nieregularnej proporcji oraz moja naturalna skłonność do lenistwa pozostawiły rzecz w tym stanie aż do ostatniego napomnienia, którego udzielił mi w pańskim imieniu pan przewodniczący de Miremont. (…) Nagroda za tę pracę okazała się zupełnie nadzwyczajna, niespodziewana i szczęśliwa. Kiedy bowiem przebrnąłem przez wszystkie równania, mnożenia, antytezy i inne operacje, jakich wymaga moja metoda (…) stwierdziłem, że moja zasada daje dokładnie tę samą proporcję załamania, jaką ustalił pan Descartes. Tak bardzo zaskoczył mnie ten niespodziewany wynik, że z trudem mogłem dojść do siebie. Wiele razy powtórzyłem różne operacje algebraiczne, otrzymując stale ten sam wynik, choć moje rozumowanie zakłada, iż przejście światła przez gęste ciała jest trudniejsze niż przez rzadkie, co uważam za prawdziwe oraz niewątpliwe, niemniej jednak pan Descartes zakłada coś przeciwnego”.

Fermat zakłada więc, że nie suma dróg s_1+s_2 musi być minimalna, lecz suma ich kombinacji liniowych s_1+ns_2, gdzie n jest współczynnikiem załamania drugiego ośrodka (względem pierwszego). Łatwo widać, że jeśli przyjmiemy za prędkość światła w drugim ośrodku wielkość v=c/n (gdzie c jest prędkością w ośrodku pierwszym), to można tę zasadę sformułować jako zasadę najkrótszego czasu:

t=\dfrac{s_1}{c}+\dfrac{s_2}{v}=\dfrac{s_1+n s_2}{c}.

Fermat dumny był z otrzymania eleganckiego wyniku, lecz kartezjanie uważali go za ciekawostkę matematyczną, a nie zasadę odnoszącą się do światła. Zasada Fermata nabrała sensu dopiero dla Christiaana Huygensa, który światło uznawał za rozchodzące się zaburzenie eteru, coś w rodzaju fali nieokresowej, jak np. fala uderzeniowa. Wiedział on już, że prędkość światła jest skończona. Huygens przedstawił też elegancki dowód, że zasada Fermata prowadzi do prawa załamania Snella. Jest on wyraźnie prostszy niż obliczenie Fermata – zwykle udaje się uprościć rozumowanie, kiedy już wiadomo, dokąd prowadzi.

fermat-a-la-huygens

Porównujemy rzeczywisty bieg promienia światła ABC z fikcyjnym AFC. Budujemy prostokąt AOHB, mamy w ten sposób pewność, że AB=OH. Na BC opuszczamy prostopadłą GF z punktu G. Z prawa załamania mamy

\dfrac{\mbox{HF}}{\mbox{BG}}=\dfrac{\sin\alpha}{\sin\beta}=n.

Zachodzą też nierówności

\mbox{AF}>\mbox{OH}+\mbox{HF}=\mbox{AB}+n\mbox{BG},

n\mbox{FC}>n\mbox{GC}.

Dodając te nierówności stronami, otrzymujemy:

\mbox{AF}+n\mbox{FC}>\mbox{AB}+n\mbox{BC}.

Zmieniając nieco nasz rysunek, możemy zrozumieć przyczynę prawa załamania dla fal. Linie AA’ oraz BH to czoła fali w pierwszym ośrodku, GF oraz CC’ to czoła fali w drugim ośrodku. W czasie potrzebnym na przejście odległości HF w pierwszym ośrodku, w drugim fala przejdzie odległość BG.

fermat-huygens2

Zatem stosunek obu odległości równy jest

\dfrac{\sin\alpha}{\sin\beta}=\dfrac{c}{v}=n.

Bezpośrednie wyjaśnienie zasady Fermata daje nam mechanika kwantowa albo falowa teoria światła: faza światła zależy od czasu. W sąsiedztwie ekstremum fazy zmieniają się bardzo powoli i rezultatem jest silna fala wypadkowa.

Warto może przytoczyć dzisiejszą wersję obliczeń Fermata. Jest ona banalna, co nie oznacza, że jesteśmy mądrzejsi od Fermata, ale że mamy lepsze techniki rachunkowe. Pojawiły się one już kilka lat później w rękopisach Isaaca Newtona, które niewielu widziało, a później w 1684 roku w pierwszej publikacji Leibniza na temat rachunku różniczkowego. Metoda Fermata przekształciła się w algorytmy, do których stosowania wcale nie potrzeba inteligencji, z powodzeniem robią to dziś programy w rodzaju WolframAlpha itp.

fermat

Wielkość, którą mamy zminimalizować, ma postać:

s(x)=\sqrt{(x-x_a)^2+y_a^2}+n\sqrt{((x-x_b)^2+y_b^2}.

Szukamy ekstremum tej funkcji, przyrównując jej pochodną do zera:

s'(x)=\dfrac{2(x-x_a)}{2\sqrt{(x-x_a)^2+y_a^2}}+n\dfrac{2(x-x_b)}{2\sqrt{((x-x_b)^2+y_b^2}}=0.

Łatwo spostrzec, patrząc na rysunek, że pierwszy składnik równy jest \sin\alpha, a drugi -n\sin\beta, skąd otrzymujemy prawo Snella.

J.J. Thomson: Jak powstaje fala elektromagnetyczna? (1903)

Pole elektryczne spoczywającego ładunku zachowuje się tak, jak linie prędkości cieczy (nieściśliwej). Oznacza to, że linie sił pola biegną radialnie z ładunku punktowego i każdą zamkniętą powierzchnię otaczającą nasz ładunek przecina tyle samo linii sił. Strumień pola elektrycznego jest taki sam przez każdą powierzchnię zamkniętą (taka sama objętość cieczy przepływa w jednostce czasu przez każdą powierzchnię: ciecz nie gromadzi się ani nigdzie nie ucieka, np. w czwarty wymiar, ile wpłynęło przez jedną powierzchnię, tyle musi wypłynąć przez drugą).

maxwell fluid

Zatem natężenie pola E razy pole powierzchni sferycznej o promieniu r jest stałe:

E4\pi r^2=\dfrac{q}{\varepsilon_0}\Rightarrow E=\dfrac{q}{4\pi\varepsilon_0 r^2} \mbox{(*)}.

Inaczej mówiąc, kwadrat odległości w prawie Coulomba bierze się stąd, że pole powierzchni sfery rośnie jak r^2. W równaniach tych q oznacza ładunek, \varepsilon_0 stałą informującą o wielkości sił elektrycznych, jest to tzw. przenikalność próżni i jest stałą fizyczną. Najczęściej jednak mamy do czynienia nie z polami elektrostatycznymi, lecz z falami elektromagnetycznymi: dzięki tym falom widzimy na ekranie ten tekst, dzięki tym falom możemy rozmawiać przez komórkę albo obserwować wszechświat, można śmiało stwierdzić, że większość naszej jednostkowej i cywilizacyjnej wiedzy zdobyliśmy dzięki falom elektromagnetycznym.

Spójrzmy nieco inaczej na rysunek wyżej. Gdyby punkt w środku oznaczał Słońce (albo jakąś inną gwiazdę, albo dowolne źródło o symetrii kulistej), a linie były promieniami światła, to przez każdą powierzchnię zamkniętą w jednostce czasu powinna przechodzić taka sama ilość energii, inaczej mówiąc: moc przepływająca przez każdą powierzchnię byłaby taka sama – wszechświat jest dość pusty i praktycznie cała energia przepływa dalej (gdybyśmy zresztą wyobrazili sobie planetę między dwiema powłokami, to po pierwsze byłaby ona malutka w porównaniu do gwiazdy, a więc pochłaniałaby niewiele mocy, a poza tym wysyłałaby tyle watów, ile pochłania – inaczej planeta gwałtownie stygłaby albo się ogrzewała.) Równanie zapisane wyżej można by powtórzyć z niewielkimi zmianami: jeśli I to moc na jednostkę powierzchni (W/m2), czyli natężenie promieniowania gwiazdy, to możemy napisać:

I4\pi r^2=P\Rightarrow I=\dfrac{P}{4\pi r^2}.

P jest mocą gwiazdy [W], czyli ilością energii wysyłanej przez nią w jednostce czasu. Zatem natężenie fali powinno maleć jak 1/r^2, ponieważ pole powierzchni sfery rośnie jak r^2. Natężenie fali jest dla wszystkich rodzajów fal, nie tylko elektromagnetycznych, proporcjonalne do kwadratu amplitudy. Mamy zatem

I\sim E^2\sim \dfrac{1}{r^2}\Rightarrow E\sim \dfrac{1}{r}.

Pole elektryczne fali powinno być odwrotnie proporcjonalne do odległości od źródła, a nie do jej kwadratu, jak w przypadku statycznym (*). Możemy teraz zrozumieć, czemu pole elektrostatyczne trudniej zaobserwować: maleje ono bowiem z odległością szybciej niż pole fali elektromagnetycznej. Jest i drugi powód: atomy zawierają tyle samo ładunku ujemnego co dodatniego i w efekcie pola elektrostatyczne niemal się równoważą – niemal, bo ładunki dodatnie (jądra) są średnio biorąc w innym miejscu niż ujemne (elektrony), wypadkowe pole maleje w rezultacie jeszcze szybciej, z sześcianem odległości. Siły elektrostatyczne są bardzo istotne dla wiązań atomów, czyli na niewielkich odległościach.

Jak można z pola spoczywającego ładunku otrzymać pole fali elektromagnetycznej? Zacznijmy od jednostek. Skoro dla pola statycznego E maleje jak 1/r^2, to aby otrzymać zależność 1/r, musimy we wzorze (*) znaleźć dodatkowy czynnik w mianowniku o wymiarze długości (m). Pole fali elektromagnetycznej związane jest z ruchem przyspieszonym ładunku, logicznie jest przypuścić, że powinno być proporcjonalne do jego przyspieszenia a (m/s2). Mamy więc w liczniku metry podzielone przez sekundy do kwadratu. A chcielibyśmy mieć same metry, i w mianowniku. Możemy wykorzystać w tym miejscu drugą stałą fizyczną elektromagnetyzmu, tzn. prędkość światła c (pierwsza to \varepsilon_0). Jeśli przyspieszenie podzielimy przez c^2, dostaniemy taki wymiar, jak potrzeba:

\left[\dfrac{a}{c^2}\right]=\dfrac{m/s^2}{m^2/s^2}=\dfrac{1}{m}.

W wyniku tego zgadywania, zwanego uczenie analizą wymiarową, możemy przypuszczać, że pole elektryczne fali wytwarzanej przez ładunek q powinno mieć postać:

E=\dfrac{qa}{4\pi\varepsilon_0 c^2 r}f(\theta).

Włączyliśmy tu jakąś nieznaną funkcję kąta miedzy przyspieszeniem a promieniem wodzącym. Kąty są bezwymiarowe, więc nie zmienia to naszych wniosków. Zobaczymy, jak można zrozumieć mechanizm wytwarzania fali i ostatni wzór. Rozumowanie poniżej pochodzi od J.J. Thomsona, który w roku 1903 miał wykłady w Yale, gdzie je przedstawił wśród wielu innych rozważań. Fale elektromagnetyczne znane były od kilku dziesięcioleci, wkład Thomsona jest tu czysto dydaktyczny (Główną jego naukową zasługą było odkrycie elektronu, za które otrzymał Nagrodę Nobla w 1906 roku.) Rozumowanie to było zresztą wielokrotnie powtarzane przez autorów podręczników, m.in. w kursie berkeleyowskim, znanym i w Polsce.

Punktem wyjścia jest fakt, że pole elektryczne ładunku poruszającego się jednostajnie wygląda w każdej chwili tak samo jak pole ładunku spoczywającego (*) – chcąc zmierzyć pole w danym punkcie i w danej chwili, musimy wstawić do tego wzoru odległość miedzy punktem a ładunkiem obliczoną właśnie w owej chwili. Zakładamy tu, że prędkość jest niewielka w porównaniu z prędkością światła, jest to założenie do uniknięcia, choć sam Thomson niezbyt dobrze rozumiał ten punkt – było to jeszcze przed teorią względności. W każdym razie w większości przypadków, oprócz akceleratorów cząstek albo kosmicznych katastrof, założenie to jest spełnione.

Impuls typu fali elektromagnetycznej uzyskamy, gdy nasz ładunek zmieni prędkość. Wyobraźmy sobie np., że w pewnej chwili t=0 ładunek zaczął hamować. Oczywiście nie mógł stanąć w miejscu, przez pewien krótki czas \tau poruszał się z przyspieszeniem, a potem już był nieruchomy. Jak powinny wyglądać linie sił w chwili T\gg \tau? Wiemy, że informacja nie może przenosić się szybciej niż c, zatem na zewnątrz sfery o promieniu cT=OR nic jeszcze nie wiadomo, że ładunek się zatrzymał i linie sił zbiegają do punktu O’, w którym powinien się on znaleźć, gdyby nadal poruszał się jednostajnie. W pobliżu ładunku, w odległościach mniejszych niż c(T-\tau)=OP, już wiadomo, że ładunek jest nieruchomy: linie sił zbiegają się w punkcie O. Linie sił pola elektrycznego muszą być ciągłe, nie mogą się zaczynać ani kończyć w punkcie przestrzeni, gdzie nie ma ładunku. Łącząc obraz sprzed hamowania i po hamowaniu uzyskamy co następuje:

electricitymatte00thombw

(Linia sił OPP’Q, oryginalny rysunek z wykładów Thomsona, Electricity and Matter, New Haven 1912)

purcell

(Linia sił to ABCD, ta sama sytuacja w podręczniku Purcella i Morina z roku 2013)

Na pierwszym rysunku nie zaznaczono drogi hamowania, na drugim jest ona zaznaczona, ale tak, że widać, iż jest znacznie krótsza niż droga v_0 T. Do pola radialnego doszło pole skierowane poprzecznie, prostopadle do promienia wodzącego. Właśnie to pole poprzeczne zmienia się jak 1/r. Nie wiem, czy dziś łatwiej się uczyć niż przed wiekiem, z pewnością lepsze są rysunki i liczniejsze źródła wiedzy. Trzymając się oznaczeń drugiego rysunku, widzimy, że stosunek pola poprzecznego E_{\theta} do radialnego E_r równy jest

\dfrac{E_{\theta}}{E_{r}}=\dfrac{v_0 T\sin\theta}{c\tau}=\dfrac{v_0}{\tau}\dfrac{cT}{c^2}\sin\theta=a\dfrac{r}{c^2}\sin\theta.

Widzimy, że wraz z rosnącą odległością stosunek obu składowych pola jest coraz większy: daleko od źródła zostaje jedynie pole poprzeczne. Wstawiając za E_{r} wzór (*), otrzymamy pole promieniowania.

E=\dfrac{qa\sin\theta}{4\pi\varepsilon_0 c^2 r}.

Jak widać, f(\theta)=\sin\theta. Ostatnia zależność oznacza, że tylko przyspieszenie ładunku prostopadłe do promienia wodzącego jest źródłem fali. Jeśli patrzymy na poruszający się ładunek i nie widzimy ruchu (bo porusza się on wzdłuż linii widzenia), nie ma promieniowania. Wyrażenie dla E_{\theta} słuszne jest dla dowolnego ruchu nierelatywistycznego. W antenach ładunki oscylują, zatem przyspieszenie zmienia się okresowo, a tym samym zgodnie z naszym wzorem zmienia się okresowo także pole elektryczne. Mamy rozchodzącą się falę elektromagnetyczną. Nie zajmowaliśmy się tu polem magnetycznym, które jest proporcjonalne do pola elektrycznego i prostopadłe do niego, a także do kierunku rozchodzenia się fali.

Uwaga nt. kątów: Natężenie fali elektromagnetycznej będzie zawierało kwadrat pola, a więc \sin^2\theta. Oczywiście, jeśli źródło złożone jest z wielu ładunków, których przyspieszenia rozmieszczone są przypadkowo i izotropowo (jak w przypadku gwiazdy), wypadkowa energia będzie niezależna od kierunku, zostanie tylko zależność od odległości.

Uwaga nt. stałych: Czasem używa się innej pary stałych: \varepsilon_0 oraz \mu_0. Zachodzi zależność:

\mu_0=\dfrac{1}{\varepsilon_0 c^2}.

Robert M. May, Mitchell Feigenbaum i początki teorii chaosu (1975-1978)

Niektórzy uważają nauki ścisłe za nudne, ponieważ wszystko się w nich oblicza i wszystko poddane jest rygorom jakichś praw i formuł, w których brak rzekomo miejsca na twórczą swobodę. Okazuje się jednak, że nawet najprostsze wzory matematyczne prowadzić mogą do nieprzewidywalnych wyników.

Robert M. May zaczynał jako fizyk teoretyczny, potem zajął się matematyką stosowaną, a tak naprawdę jej zastosowaniami w biologii. Zwrócił on uwagę na niezwykłe własności prostego odwzorowania. Załóżmy, że chcemy modelować liczbę organizmów w jakimś zamkniętym środowisku w różnych latach. Organizmy się rozmnażają, więc ich liczba w danym roku x_{n+1} zależy od ich liczby w roku poprzednim x_{n} :

x_{n+1}=r x_{n},

gdzie parametr r oznacza współczynnik związany z przyrostem naturalnym. Jeśli r>1, to przyrost naturalny jest dodatni. Oznaczałoby to, że liczba naszych organizmów będzie rosła coraz szybciej, tworząc ciąg geometryczny. Byłby to przypadek eksplozji demograficznej albo sepsy. Zazwyczaj wzrost hamowany jest dostępnością pożywienia: im więcej jest organizmów, tym trudniej o pożywienie. Jeśli nasza nisza ekologiczna jest skończona, to możemy użyć zmodyfikowanej postaci poprzedniego wzoru:

x_{n+1}=r x_{n} (1-x_{n}),

Liczbę organizmów przedstawiamy teraz jako ułamek pewnej wartości maksymalnej, w ten sposób nasze x_{n} zawarte są w przedziale [0,1]. Efektywny współczynnik przyrostu jest teraz równy r (1-x_{n}) , maleje więc w miarę zapełniania się środowiska. Otrzymujemy w ten sposób proste równanie pozwalające obliczać liczbę organizmów w kolejnych pokoleniach. Odwzorowanie takie nazywa się logistycznym, uwzględnia ono skończoność zasobów i nadal jest stosunkowo proste. Zależy ono tylko od jednego parametru r, który powinien znajdować się w przedziale [0,4], żeby wynik kolejnej iteracji nie wyprowadził nas poza przedział [0,1], co w naszym modelu nie miałoby sensu. Robert May zdał sobie sprawę, że zachowanie odwzorowania logistycznego bywa zaskakujące i nietrywialne. W 1976 roku ogłosił w „Nature” artykuł o „prostych modelach matematycznych z bardzo złożoną dynamiką”. Głównym przykładem było odwzorowanie logistyczne.

Co może się stać, gdy zaczniemy wykonywać kolejne iteracje? Przy pewnym szczęściu mogłoby się okazać, że x=r x(1-x), Mamy wówczas punkt stały: za każdym razem dostaniemy to samo. Jeśli jednak zaczniemy od innej wartości, należy się spodziewać, że z czasem sytuacja będzie dążyć do stanu równowagi. Rzeczywiście tak się dzieje dla r<3. Np. dla r=2,9, startując z punktu x_0=0,5, otrzymamy oscylacje dążące do pewnej granicy. Jej wartość nie zależy od x_0, rozwiązanie dąży do punktu stałego.

image

Mamy więc dążenie do równowagi ekologicznej. Można tę sytuację zilustrować następującym wykresem:

r290

Mamy tu wykresy dwóch funkcji y=rx(1-x) oraz y=x. Startujemy z x_0=0,5, wynikiem pierwszej iteracji jest wartość leżąca na paraboli pionowo nad x_0. Chcemy następnie, aby wartość ta była punktem wyjścia do następnej iteracji: rysujemy więc odcinek poziomy aż do przecięcia z prostą y=x. Opuszczając teraz odcinek pionowy na parabolę, generujemy następny punkt, a przesuwając go poziomo do przecięcia z y=x, mamy punkt wyjścia dla iteracji nr 2. Widać, że punkty dążą do punktu stałego, który odpowiada przecięciu obu naszych wykresów funkcji.

Weźmy teraz wartość r=3,2. Oto, co dostajemy z iteracji: po pominięciu pewnej liczby początkowych wartości nasz wykres zaczyna oscylować:

image (1)

Zamiast równowagi ekologicznej mamy zależność okresową. Wykres pajęczynowy wygląda następująco:

r3.20

Dla jeszcze większych wartości, np. r=3,5 zamiast równowagi, dostajemy cykl o okresie cztery:

image (2)

 

r350

Co dalej? Można się domyślić, że teraz nic już nie zatrzyma kolejnych podwojeń. Nasze okresowe cykle będą się rozdwajać na cykle o podwojonym okresie. Wreszcie dla jeszcze większych wartości parametru r dostaniemy zachowanie chaotyczne, tak jakby okres stał się nieskończony.

image (5)

r380

Okazuje się, że to jeszcze nie koniec komplikacji: otóż dla pewnych wartości r powyżej progu chaotyczności, ponownie otrzymujemy wartości okresowe.

image (7)

r3832

Ten okres równy 3 podwaja się dla nieco większych wartości, w sumie obraz jest dość skomplikowany, i o tym właśnie napisał Robert M. May.

bifurkacje may

Tak przedstawiał się wykres w pracy z roku 1976. Na osi poziomej mamy parametr r, na pionowej wartości x. W istocie sytuacja jest znacznie skomplikowana, niż wówczas sądzono. Oto jakiś jej zwiastun:

tmp_m6W9Wb

Widzimy tu podwojenia i potem następne podwojenia. Wykres ten ma strukturę fraktalną: jego małe fragmenty są w powiększeniu takie jak większe. Łatwo go obejrzeć z większą rozdzielczością. Możemy też sami się pobawić oglądaniem tej struktury.

 

Większość wartości r powyżej 3,56995 wykazuje zachowania chaotyczne. Oznacza to np., że można by kolejnych tak generowanych liczb używać jako liczb pseudolosowych (niemal każda wartość początkowa prowadzi do innego ciągu).

W tym miejscu mogłoby się wydawać, że odwzorowanie logistyczne, dane równaniem kwadratowym jest jakoś wyróżnione. Okazuje się wszakże, że inne krzywe mające maksimum będą prowadzić do podobnych rezultatów. Odkrył to Mitchell Feigenbaum, potomek uchodźców z Polski (ojciec) i z Ukrainy (matka), który zrobił doktorat z cząstek elementarnych, długo nie publikował i jest człowiekiem dość ekscentrycznym. Bawił się on namiętnie wszystkim, co służyło do liczenia, aż wpadł mu w ręce pierwszy programowalny kalkulator HP-65. Za jego pomocą dokonał słynnego odkrycia uniwersalności w dochodzeniu do chaosu. Gdy rozpatrzymy kolejne wartości progów, przy których podwaja się okres, otrzymamy dla odwzorowania logistycznego, co następuje:

n 2^n r_n r_{n}-r_{n-1} ilorazy
1 2 3
2 4 3,44949 0,44949
3 8 3,54409 0,0946 4,751479915
4 16 3,564407 0,020317 4,656199242
5 32 3,5687594 0,0043524 4,667999265
6 64 3,5696916 0,0009322 4,66895516

Ponieważ liczyło się to długo, więc Feigenbaum próbował odgadywać, przy jakiej wartości pojawi się następny próg. Różnice kolejnych wartości bardzo szybko maleją. Feigenbaum odkrył, że

\dfrac{r_{n+1}-r_{n}}{r_{n+2}-r_{n+1}}\rightarrow 4,669201.

Okazało się, że jeśli zastąpić krzywą logistyczną jakąś inną funkcją o podobnym przebiegu, np. połówką sinusoidy, granica ta pozostanie taka sama. Wśród całego tego chaosu coś pozostaje stałe. Wartość tę nazywa się dziś Deltą Feigenbauma. Można ją też oglądać w zbiorze Mandelbrota: gdy powiększamy odpowiedni jego fragment przesuwając się przy tym, obserwujemy kolejne okręgi o promieniach w stosunku stałej Feigenbauma.

Mandelbrot_zoom

 

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Self-similarity

Z podobnym zjawiskiem uniwersalności spotykamy się w dziedzinie przejść fazowych, gdzie także obowiązują prawa skalowania i wykładniki w tych prawach powtarzają się dla wielu różnych układów. Praca Feigenbauma przyniosła mu sławę: nie każdy odkrywa jakąś nową stałą matematyczną. Jest to pewnie jedyny przypadek, aby za pomocą kalkulatora dokonano istotnego odkrycia, niebawem narzędziem stały się komputery, sam Feigenbaum też ich potrzebował, aby dokładniej znaleźć wartość swoich stałych (bo jest jeszcze jedna). Z początku niezbyt ścisłe argumenty oraz eksperymenty numeryczne były jego głównym osiągnięciem, miał w związku z tym spory kłopot z publikacją: przez kilka lat różne pisma odrzucały jego artykuł, który dopiero w 1978 ukazał się on w „Journal of Statistical Physics”. Recenzenci dość często nie wiedzą, co zrobić z pracą zanadto nowatorską i niesztampową. Żyjemy w czasach nauki biurokratycznej, choć realny postęp niekoniecznie nadchodzi z przewidywalnych kierunków.

Arkusz Google’a z odwzorowaniem logistycznym

Martin Heidegger: wielki filozof i szachrujący Żydzi

Jego poglądy sprawiają wrażenie podobne do dzieł Wagnera: znajdujemy w nich zarówno przebłyski genialności, jak pretensjonalną intelektualną grafomanię, często splecione w węzeł niemożliwy do rozwikłania. Martin Heidegger był znakomitym wykładowcą, a filozofia – najbardziej prestiżowym przedmiotem na niemieckich uniwersytetach. Sława uczonego przyciągała studentów spragnionych kontaktu z wielką osobowością, z guru, przewodnikiem, duchowym ojcem. Były to czasy kultu wielkich jednostek. Spór między Naphtą a Settembrinim wygrał, jak pamiętamy Mynheer Peeperkorn. Wspominano jeszcze po latach, jak niepozorny profesor wchodził do sali wykładowej i zrazu przyciszonym, a potem coraz pełniejszym głosem, przeprowadzał swoje rozumowania, panując całkowicie nad zaczarowanymi słuchaczami. Cieszył się sławą mistrza, który uczy myśleć. Bo też jego najmocniejszą stroną były nowatorskie interpretacje klasycznych tekstów, dostrzeganie aktualnych problemów w znanych od dawna sformułowaniach: lektura fragmentów Heraklita, Nietzschego czy Hölderlina nie była szkolarskim ćwiczeniem, prowadziła do odkrywania problemów współczesności. Filozofowanie nie odsłaniało prawd odwiecznych, wiecznie tych samych, lecz zanurzone było w bieżącej chwili i jej historycznych uwarunkowaniach.

Studentom imponował uczony, który nie był jedynie chodzącą maszynką do mielenia cudzych poglądów, który oddawał się myśleniu całym sobą i u którego było ono żywym, ciągle postępującym procesem. Zjeżdżali do niego tłumnie, wielu z jego uczniów zdobyło później sławę. Wykładowca miał zwyczaj sypiania z co ładniejszymi studentkami, pobudzało go to bowiem twórczo, żonie geniusza, Elfriede, musiały wystarczyć zapewnienia, że ma swoje osobne i niezagrożone miejsce w jego życiu. Filozof wywodził się ze wsi w Schwarzwaldzie i całe życie pielęgnował związki z ziemią rodzinną, chętnie pisał w chacie za miastem, odmówił też objęcia katedry w stołecznym Berlinie, zbyt dla niego kosmopolitycznym. Nosił szczególny strój: „coś w rodzaju chłopskiej sukmany ze Schwarzwaldu, z szerokimi wyłogami i na poły wojskowym kołnierzem, na dodatek spodnie do kolan, wszystko z ciemnobrązowego sukna (…) Brąz sukna dobrze pasował do jego kruczoczarnych włosów i smagłej cery” (przeł. J. Wolska-Stefanowicz, B. Baran). Konserwatywny syn katolickiego kościelnego, omal nie został jezuitą, szybko jednak porzucił seminarium; studiował teologię, od której przeszedł do filozofii. Jego ambicje sięgały znacznie dalej niż samo tylko twórcze uprawianie filozofii, pragnął ni mniej, ni więcej, tylko porzucenia obowiązujących na Zachodzie kanonów myślenia i powrotu do źródeł, do presokratyków, i rozpoczęcia myślenia od nowa. Wobec tradycji idącej od Platona przez Kartezjusza do Kanta nastawiony był wrogo, podobnie jak do nauki, a zwłaszcza do techniki i „amerykanizacji” życia. Głęboko wierzył, że cywilizację Zachodu uratować mogą tylko Niemcy. Wierzył w „szczególne, wewnętrzne pokrewieństwo języka niemieckiego z językiem i myśleniem Greków”. Potwierdzać to mieli rzekomo także Francuzi: „Gdy tylko zaczynają myśleć, sięgają do języka niemieckiego, zapewniają przy tym, że ich język się do tego nie nadaje” (przeł. M. Łukasiewicz). O angielskim nawet nie warto w tym kontekście wspominać, zostawał więc jedynie niemiecki. Heidegger rzeczywiście wykorzystywał jego szerokie możliwości słowotwórcze do budowania własnego słownika dziwotworów i neologizmów, jakby także w języku chciał się postawić poza tradycją. Gdyby skończył jako profesor-dziwak, którego jedni głęboko podziwiają i otaczają kultem, a inni traktują jak humorystyczne zwieńczenie systemu akademickiego, rodzaj gargulca wystającego z szacownej fasady, nie byłoby to jeszcze dla Heideggera najgorsze.

heidegger

Ambitny nasz filozof żył bowiem w czasach gorączkowego wzmożenia narodowego w Niemczech. Młodzież śpiewała przy ogniskach pieśni o wspólnym działaniu i pragnęła lepszego świata. Słowo demokracja brzmiało jak imię sekretnej choroby. Jedni szukali ratunku w komunizmie, drudzy w nazizmie. Na ruch nazistowski życzliwie patrzyło wielu wybitnych profesorów, sympatyzowali z nim także Heidegger i Elfriede, i to jeszcze zanim Adolf Hitler został kanclerzem. „Trzeba się włączyć” – oświadczył swemu przyjacielowi Karlowi Jaspersowi wczesną wiosną 1933 roku. No i się włączył: został narodowosocjalistycznym rektorem uniwersytetu we Fryburgu, zgłosił akces do NSDAP, słał wiernopoddańcze telegramy do Hitlera i jego sfory. Wygłosił też słynną mowę jako rektor:

Niemieccy studenci, rewolucja narodowosocjalistyczna prowadzi do radykalnego przekształcenia naszego niemieckiego jestestwa. (…) Niech z każdym dniem i godziną umacnia się oddanie przywództwu i jego woli. (…) To nie twierdzenia i «idee» powinny stanowić reguły waszego bycia.

Führer sam, i tylko on, jest obecną i przyszłą rzeczywistością Niemiec i ich prawem.

W ostatniej rozmowie z Jaspersem przed zerwaniem stosunków (z powodu żony Żydówki nie nadawał się on już teraz na przyjaciela) Heidegger utrzymywał, że może Protokoły Mędrców Syjonu to nonsens, ale światowy żydowski spisek jest przecież niezaprzeczalną prawdą. Na pytanie: „Jak człowiek tak niewykształcony jak Hitler rządzić może Niemcami?”, Heidegger odparł: „Wykształcenie jest najzupełniej obojętne. Proszę się przyjrzeć, jak cudowne są jego ręce” (przeł. J. Wolska-Stefanowicz, B. Baran). Bardzo gorliwy w służbie nowej władzy, odesłał na emeryturę swego nauczyciela Edmunda Husserla (Żyd!), oboje z Elfriede zerwali z Husserlami wszelkie stosunki. Bardzo poważnie zastanawiał się też nasz filozof, korespondując na ten temat z gestapo, co zrobić z Hermannem Staudingerem, wybitnym chemikiem, dwadzieścia lat później noblistą – uczony ten bowiem w latach pierwszej wojny światowej (!) był pacyfistą i chciał nawet zmienić obywatelstwo na szwajcarskie, a teraz opowiadał się za nazizmem. Dla Heideggera jasne było, że ktoś tak dwulicowy nie powinien nauczać, nawet wysłanie go na emeryturę to za dużo, najlepiej byłoby go po prostu zwolnić, problem był tylko w tym, jak się go pozbyć bez międzynarodowego rozgłosu. Nie przeszkadzało również Heideggerowi rytualne palenie książek urządzone na jego uniwersytecie – zapewne dlatego, że Heraklit przecież książek nie pisał.

Heidegger tylko przez rok pełnił swoją funkcję rektora, odszedł, gdyż zawiódł się na nazistach. Nie chodziło jednak o brutalność, cynizm, rasizm, czy zbrodnie, jakich się dopuszczali na tysiącach, a niebawem na milionach ludzi. Główną przyczyną rozczarowania filozofa było poczucie niedocenienia przez kręgi przywódcze partii, której wiernym członkiem pozostał aż do 1945 roku. Heidegger inaczej wyobrażał sobie rewolucję, którą Niemcy powinny przeprowadzić (najlepiej pod jego duchowym przywództwem), aby ocalić świat, choćby wbrew niemu samemu. Walka z Żydami była według niego życiową koniecznością, reprezentowali oni bowiem siły nauki, techniki, finansów i analitycznego rozumu.

Przyczyna chwilowego wzrostu potęgi żydostwa leży w tym, że metafizyka Zachodu, zwłaszcza w wydaniu nowożytnym, dostarczyła punktu wyjścia do szerzenia dość pustej racjonalności i zdolności kalkulowania.

Owo próżne rezonerstwo miało zniknąć z powierzchni Ziemi. Przyszłe decyzje i problemy będą w ogóle niedostępne owej rasie. Słowo rasa opatrywał Heidegger cudzysłowem. Nie podzielał przesądów nazistów, nie był bowiem antysemitą rasistowskim, lecz historiozoficznym, wyrozumowanym. Żydzi jako ludzie w zasadzie mu nie przeszkadzali, niektórych nawet lubił, miał w swoim czasie gorący romans z młodziutką Hannah Arendt, która chyba do końca życia nie poznała wszystkich poglądów swego aryjskiego kochanka. Nie chodziło więc o ślepą nienawiść, lecz o racjonalne działanie i historyczną konieczność: Niemcy musiały unicestwić potęgę światowego żydostwa. Dlatego zbrodnie nazizmu nie zrobiły na filozofie żadnego wrażenia, uważał, że ofiary same były sobie winne. Bardzo natomiast był oburzony, kiedy przez kilka lat po wojnie zakazano mu nauczania, a przez kilka miesięcy nie mógł rozporządzać całym swoim domem, gdyż dokwaterowano mu jakichś przedstawicieli francuskich władz okupacyjnych. Wydane niedawno filozoficzne notatniki Heideggera, tzw. Czarne Zeszyty, pokazują, że w odniesieniu do Żydów cała pojęciowa i językowa subtelność autora bierze w łeb: posługuje się on prymitywnymi kliszami myślowymi, jakie moglibyśmy wyczytać w Mein Kampf. Wszystko to przyrządzone w sosie nieprzetłumaczalnych neologizmów robi przygnębiające wrażenie. To porażka kultury europejskiej i trudno o nią winić Platona czy Kartezjusza. Zresztą na długo przed dojściem nazistów do władzy Heidegger bolał nad „zażydzeniem” uniwersytetów niemieckich. Także i po wojnie pewnie nie zauważył, że wraz z Żydami Niemcy straciły większość swego potencjału duchowego – i w tym leży ich prawdziwa klęska, bo przemysł można odbudować, ale nie można sprawić, aby kraj przyciągał swymi ideami i kulturą. Niemcy przestały być krajem, do którego jeździ się myśleć – pod tym względem stały się takie, jak większość bogatej Europy, ani od niej lepsze, ani gorsze. W swoim ostatnim wywiadzie dla „Der Spiegel” w latach sześćdziesiątych XX wieku Heidegger, który nie zdobył się nigdy na żadne wyrazy potępienia dla Shoah, z wielką troską i niepokojem wypowiada się nie o tym, co się stało podczas wojny, lecz o powojennej cywilizacji (amerykanizacja!):

Wszystko funkcjonuje. Niesamowite jest właśnie to, że wszystko funkcjonuje i że to funkcjonowanie powoduje wciąż dalsze funkcjonowanie, i że technika coraz bardziej odrywa ludzi od ziemi i pozbawia ich korzeni. Nie wiem, czy panowie byli przerażeni, oglądając zdjęcia Ziemi wykonane z Księżyca. Ja przynajmniej byłem przerażony. Nie potrzeba wcale bomby atomowej, wykorzenienie ludzkości stało się już faktem. Nasze wzajemne stosunki są czysto techniczne. Ziemia, na której żyjemy, nie jest już Ziemią. (przeł. M. Łukasiewicz)

W latach trzydziestych Martin Heidegger twierdził z wielkim zacietrzewieniem, że w całych Niemczech należałoby zostawić na katedrach dwóch, może trzech filozofów. Gdyby mieli oni iść w ślady Heideggera, to może i jednego byłoby za wiele.

Rachunek różniczkowy i całkowy w kwadrans

  • Pochodna

Chcąc ustalić, jak szybko zmienia się jakaś wielkość, wygodnie jest rozważać bardzo niewielkie jej przyrosty. Można je uważać za wielkości nieskończenie małe, np. dodatnia nieskończenie mała jest różna od zera, ale mniejsza od każdej dodatniej liczby rzeczywistej. Zazwyczaj interesują nas pewne ilorazy owych nieskończenie małych, które mogą być nie tylko określone, ale i równe jakiejś zwykłej liczbie rzeczywistej. Rozpatrzmy przykład funkcji y=x^3. Biorąc dwie wartości argumentu x, x+\Delta x, możemy obliczyć przyrost tej funkcji:

\Delta y=(x+\Delta x)^3-x^3=3x^2\Delta x+3x\Delta x^2+\Delta x^3.

Wyobraźmy sobie teraz, że wartość \Delta x jest nieskończenie małą: przyrost funkcji też stanie się nieskończenie małą, jak widać jest sumą trzech wyrazów z różnymi potęgami \Delta x – każdy z nich też jest nieskończenie małą. Żeby ustalić, jak szybko rośnie nasza funkcja, dzielimy przyrost wartości przez przyrost argumentu:

\dfrac{\Delta y}{\Delta x}=3x^2+3x\Delta x+\Delta x^2.

Pierwszy wyraz po prawej stronie nie zawiera żadnych nieskończenie małych, jest zwykłą liczbą rzeczywistą, pozostałe dwa są nieskończenie małe. Definiujemy pochodną funkcji jako wartość rzeczywistą, która zostaje z prawej strony po odrzuceniu nieskończenie małych. Nazywamy ją wartością standardową liczby, mamy więc

\dfrac{dy}{dx}\equiv f'(x)\equiv y'=\mbox{st}\left(\dfrac{\Delta y}{\Delta x}\right)=3x^2.

W bardziej konwencjonalnym podejściu obliczamy granicę prawej strony, gdy \Delta x\rightarrow 0.

Uwaga: W XVII i XVIII wieku używano pojęcia nieskończenie małych, później wprowadzono ścisłe pojecie granicy, a jeszcze później, bo w drugiej połowie XX wieku, wykazano, że można rozszerzyć pojęcie liczb rzeczywistych tak, aby zawierało także liczby nieskończenie małe oraz nieskończenie wielkie. Każda standardowa liczba rzeczywista x otoczona jest nieskończenie bliskimi liczbami postaci x+dx, gdzie dx jest nieskończenie małe. Można jednak zrzutować taką liczbę hiperrzeczywistą na zwykłą prostą rzeczywistą i otrzymamy wówczas wartość standardową st(x+dx)=x. Podejście takie, zwane analizą niestandardową albo infinitezymalną, jest równie ścisłe jak dziewiętnastowieczne armaty z \epsilon ,\delta.

Pochodna mierzy nachylenie funkcji w danym punkcie, co jest znacznie wygodniejsze niż używanie średnich nachyleń w skończonym przedziale.

nachylenie stycznej

Można sobie wyobrażać, że każda porządna linia krzywa jest łamaną złożoną z nieskończenie wielu nieskończenie krótkich odcinków. Obliczanie pochodnych jest bardzo proste, mamy pewien zbiór reguł, które pozwalają to robić. Np. pochodna sumy funkcji jest sumą pochodnych itd. Jeśli nie chce się nam liczyć, wchodzimy na WolframAlpha i wpisujemy, w naszym przykładzie: derivative of x^3 (co po angielsku znaczy pochodna z).

  • Całka nieoznaczona

Obliczając pochodną funkcji w danym punkcie otrzymujemy jakąś wartość rzeczywistą. Jeśli potraktować x jako zmienną, otrzymujemy nową funkcję x\mapsto f'(x). Można więc traktować obliczanie pochodnej (zwane ze względów historycznych różniczkowaniem) jako pewne odwzorowanie przypisujące funkcji f pewną inną funkcję f'. Można też spojrzeć na sprawę odwrotnie i dla pochodnej równej g(x) szukać funkcji pierwotnej G(x), tzn. takiej, że G'(x)=g(x). Każda tablica pochodnych czytana od prawej do lewej strony jest tablicą funkcji pierwotnych, inaczej całek nieoznaczonych:

\int{ g(x)dx}\equiv G(x)\Leftrightarrow G'(x)=g(x).

Symbol dx pod całką wskazuje tylko nazwę zmiennej. Przykład z poprzedniego punktu dowodzi, że

\int{3x^2 dx}=x^3.

W WolframAlpha: integral of 3x^2. Do funkcji pierwotnej zawsze można dodać jakąś stałą, ponieważ nie zmienia to pochodnej (nachylenie funkcji stałej jest zawsze równe 0). W odróżnieniu od obliczania pochodnych znajdowanie całek nieoznaczonych bywa trudne, a niektóre funkcje elementarne nie mają elementarnych całek oznaczonych. Zawsze można natomiast bez trudności sprawdzić, czy całka znaleziona jest prawidłowo: wystarczy wynik zróżniczkować.

  • Całka oznaczona czyli pole pod wykresem

Mając pewną funkcję f(x), zdefiniujmy nową funkcję S(x), która jest polem zawartym między wykresem funkcji a osią Ox oraz między dwiema wartościami argumentu: stałym a oraz zmiennym x.

newton_leibniz

Pole takie to z definicji całka oznaczona z funkcji f:

S(x)\equiv\int_{a}^{x}f(x) dx.

Obowiązuje następujące twierdzenie Newtona-Leibniza (choć znali je wcześniej James Gregory oraz Isaac Barrow): Jeśli F(x) jest dowolną funkcją pierwotną (ciągłej) funkcji f(x), to zachodzi równość:

\int_{a}^{b}f(x)dx=F(b)-F(a).

Twierdzenie to wskazuje główną motywację obliczania całek nieoznaczonych: możemy za ich pomocą wyznaczyć całkę oznaczoną czyli pole, a to się często przydaje.

Dlaczego słuszne jest tw. Newtona-Leibniza? Jeśli rozpatrzyć dwie bliskie wartości argumentu x, x+\Delta x, to przyrost funkcji S(x) jest równy

\Delta S=S(x+\Delta x)-S(x)\approx f(x)\Delta x \Rightarrow \dfrac{\Delta S}{\Delta x}\approx f(x),

gdzie równość przybliżona bierze się stąd, że krzywoliniowy cienki pasek można w przybliżeniu zastąpić polem prostokąta. Równość staje się dokładna, gdy \Delta x dąży do zera. Zatem S'(x)=f(x). Łatwo zauważyć, że trzeba wybrać funkcję pierwotną F(x)-F(a), bo zapewnia ona, że dla x=a otrzymamy pole równe 0. .

Możemy zilustrować tw. Newtona-Leibniza na naszym przykładzie funkcji pierwotnej do 3x^2:

\int_{0}^{x}3t^2 dt=x^3-0^3=x^3\Leftrightarrow \int_{0}^{x}t^2 dt=\dfrac{x^3}{3}

Wynik ten znał już Archimedes: pole pod parabolą jest równe 1/3 pola prostokąta na rysunku.

pole_paraboli

Jeśli nasza funkcja nie jest stale dodatnia, to całka oznaczona jest polem zsumowanym ze znakiem + albo -, jak na rysunku. Oblicza się ją nadal za pomocą tw. Newtona-Leibniza.

pole_calka