Najmniejsze działanie: od kształtu liny do zasady Hamiltona

Isaac Newton nie traktował trzech zasad dynamiki jako swego szczególnie ważnego odkrycia; sądził, że formułuje tylko fakty znane wcześniejszym badaczom, takim jak np. Christiaan Huygens. Jednak to jego sformułowanie okazało się kanoniczne i trafiło do podręczników. Nie jest to zupełny przypadek: zasady te pozwoliły bowiem zbudować konsekwentną naukę o ruchu i określiły sposób myślenia jego następców. Newton pojawił się w odpowiedniej chwili historycznej, gdy kwestia ruchu w mechanice dojrzała do ścisłego przedstawienia i kiedy pojawiła się stosowna matematyka – czy to w postaci rachunku fluksji samego Newtona, czy rachunku różniczkowego i całkowego Leibniza i Johanna Bernoulliego.

Mechanikę można sformułować na kilka innych sposobów. Zwłaszcza Newtonowskie pojęcie siły jest było nowatorskie i zapewne by się nie pojawiło, gdyby nie samotnik z Cambridge. Nauki ścisłe także są konstrukcją ludzką i tylko częściowo odkrycia w nich przypominają odkrycia geograficzne: kto pierwszy zobaczy wyspę Kuba, automatycznie staje się jej odkrywcą. Nie ma tu bowiem platońskiego świata idei do odkrycia, a w każdym razie idee te mogą przyjmować zupełnie różne kształty i ich zarysy stają się widoczne dopiero wtedy, kiedy ktoś taki jak Albert Einstein albo Andrew Wiles je nam wskaże.

We współczesnej fizyce, zarówno klasycznej, jak kwantowej, najważniejszym sposobem zapisywania praw są zasady najmniejszego działania (in. zasady wariacyjne). Historycznie pojawiły się one później niż Newtonowskie siły, ich znaczenie stopniowo jednak rosło. Gdyby Albert Einstein dostatecznie mocno wierzył w zasady wariacyjne, to zapewne sformułowałby równania swej teorii grawitacji kilka lat wcześniej, jeszcze w Zurychu, a nie w Berlinie, oszczędzając sobie mnóstwa ciężkiej pracy i frustracji z powodu niepowodzeń. Klasyczne zasady najmniejszego działania nabrały nowego sensu w fizyce kwantowej, w Feynmanowskich sumach po historiach. Model Standardowy cząstek elementarnych, czyli sumę naszej wiedzy o mikroświecie, też zapisuje się za pomocą działania.

Poniżej przedstawimy dwa przykłady pokazujące, jak  można sformułować mechanikę w postaci zasad najmniejszego działania.

Kształt ciężkiej liny

Chcemy znaleźć kształt, jaki przyjmie ciężka lina zaczepiona w dwóch punktach.Stan równowagi odpowiada minimalnej energii całkowitej.

Mamy tu do czynienia z dwoma rodzajami energii. Z jednej strony działa grawitacja: im niżej znajdzie się dany element liny, tym niższa będzie jego energia potencjalna. Odcinek liny odpowiadający małemu przedziałowi (x, x+\Delta x) będzie miał masę \varrho dx i jego energia potencjalna będzie równa (g jest przyspieszeniem ziemskim):

\Delta V=-\varrho gy \Delta x.

Drugim rodzajem energii jest tu energia sprężysta. Wyobraźmy sobie, że zależy ona tylko od wydłużenia naszej liny i dla jej małego elementu równa jest

\Delta T=N(\Delta s-\Delta x),

gdzie N jest siłą napięcia liny.

Dla uproszczenia rachunków ograniczymy się do przypadku, gdy nasza lina ma niewielką strzałkę ugięcia, czyli dy jest znacznie mniejsze niż dx. Możemy wtedy przekształcić wyrażenie na energię sprężystą następująco:

dT=N(\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}-\Delta x)\approx \dfrac{1}{2}N\left(\dfrac{\Delta y}{\Delta x}\right)^2 \Delta x.

W równości przybliżonej skorzystaliśmy z przybliżenia \sqrt{1+g}\approx 1+\frac{1}{2} g, słusznego dla wartości g\ll 1. Zauważmy, że działa ono nieźle nawet dla stosunkowo dużych wartości g, np. otrzymujemy \sqrt{2}\approx 1,5 zamiast 1,41, co oznacza błąd poniżej 10%.

Mamy więc dwa wkłady do energii: energia potencjalna obniża się, gdy dany odcinek liny znajdzie się niżej, ale żeby to było możliwe, lina musi się wydłużyć, co powiększa jej energię sprężystą. Pytanie, jakie sobie stawiamy, brzmi: jak znaleźć krzywą opisującą kształt liny?

Energia całkowita naszej liny jest równa

{\displaystyle E=\int_{0}^{L}\left(\dfrac{1}{2}N\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2-\varrho g y\right)dx.}

Jeśli zadamy krzywą y(x) i wstawimy ją do powyższego równania, to dostaniemy energię odpowiadającą danemu kształtowi. Matematycy mówią, ze mamy funkcjonał: czyli funkcji przypisujemy pewną liczbę. Dziedziną naszego funkcjonału jest zbiór różnych funkcji, które mogłyby opisywać kształt naszej liny.

Jak znaleźć minimum energii? Metodę postępowania podał w roku 1755 pewien bystry dziewiętnastolatek, Joseph Lagrange, w liście do słynnego Leonharda Eulera. Wyobraźmy sobie, że daną funkcję y(x) nieznacznie zmienimy na y(x)+\delta y(x). Jak wtedy zmieni się nasz funkcjonał? Łatwo pokazać, że zmiana energii jest w naszym przypadku równa

{\displaystyle \delta E=\int_{0}^{L}\left( N \dfrac{d^2 y}{dx^2}-\varrho g \right) \delta y(x) dx.} (*)

Pominięte zostały wyrazy zawierające  \delta y^2. Funkcja \delta y(x) (tzw. wariacja, czyli zmiana, y(x)) jest dowolna. W minimum niewielka wariacja y  nie powinna wpływać na wartość funkcjonału: kiedy jesteśmy już na dnie, to jest nam wszystko jedno, w którą stronę się przesuniemy, i tak będziemy na dnie. Jest to słuszne tylko w pierwszym przybliżeniu, gdy możemy pominąć wkłady kwadratowe i wyższe wariacji funkcji. Zatem warunkiem na minimum jest znikanie wariacji funkcjonału:

 \delta E=0  \Leftrightarrow N \dfrac{d^2 y}{dx^2}-\varrho g =0.

Ostatnia równoważność wynika stąd, że znikanie całki z nawiasu razy dowolna (niewielka) funkcja \delta y(x) musi oznaczać, iż ten nawias jest równy zeru dla każdego x.

Dwa wnioski: ogólny i szczegółowy.

Wniosek ogólny: Warunkiem minimum funkcjonału jest spełnienie pewnego równania zawierającego pochodną.

Wniosek szczegółowy: W naszym przypadku równanie to stwierdza, że druga pochodna y''(x) ma być stała. Znaczy to, że pierwsza pochodna y'(x) jest funkcją liniową, a sama funkcja y(x) jest kwadratowa, kształt krzywej to parabola. Żeby się te rozważania nie wydawały zbyt abstrakcyjne, proszę spojrzeć na obrazek.

Akashi Kaikyō Bridge, Wikipedia

Ruch rzuconego ciała

Teraz zapomnijmy o fizycznej treści poprzedniego punktu, pozostańmy przy samej matematyce: takie same równania mają takie same rozwiązania, jak uczył Feynman. Jeżeli wziąć za zmienną niezależną czas t zamiast x, to stała druga pochodna oznacza, ze mamy stałe przyspieszenie, czyli ruch w polu grawitacyjnym Ziemi. Możemy nieco zmienić oznaczenia N=\varrho=m, zamiast E napiszmy S, bo tak się standardowo oznacza działanie. Mamy więc zasadę wariacyjną i równoważne jej równanie różniczkowe:

 \delta S=0  \Leftrightarrow m \dfrac{d^2 y}{dt^2}-m g =0,

gdzie działanie równe jest

{\displaystyle S=\int_{0}^{T}\left(\dfrac{1}{2}m\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2-m g y\right)dx.}

Zamiast równań Newtona dla rzuconego ciała, możemy zażądać, aby znikała wariacja z działania. W naszym przypadku nadal rozwiązaniem jest parabola.

Zmieniła się jej interpretacja fizyczna: teraz opisujemy ruch jednowymiarowy, rzut pionowy. Skądinąd wiemy, że rozciągnięty w czasie rzut pionowy będzie miał kształt paraboli (mówimy tu o krzywej we współrzędnych t, y). Jeśli przyjrzeć się postaci działania, to oba składniki w nawiasie powinny nam się kojarzyć z energią kinetyczną i potencjalną:

 {\displaystyle S=\int_{0}^{T}\left(\dfrac{mv^2}{2}-V(y)\right)dt.}

Otrzymujemy w ten sposób zasadę Hamiltona najmniejszego działania. Równania, które z niej wynikają, nazywają się, żeby rzecz całą zagmatwać, równaniami Lagrange’a (są one równoważne zasadom dynamiki Newtona). Funkcja pod całką nazywa się lagranżianem i jest równa: {\cal L}=E_k-V. Należy zwrócić uwagę, że {\cal L} nie jest energią całkowitą, lecz różnicą energii kinetycznej i potencjalnej – przechodząc od liny do rzutu, zmieniliśmy znak. Zasada najmniejszego działania oznacza, że jeśli nieco zmienimy ruch w stosunku do ruchu rzeczywistego, to działanie się nie zmieni. Funkcje, które rozpatrujemy, zaczynają się w chwili 0 w punkcie y=0 i kończą w tym samym punkcie w chwili t=T. Można wybrać dowolne punkty przestrzeni, ustalony jest tu natomiast przedział czasu. Wszystkie rozpatrywane funkcje zaczynają się i kończą w tych samych chwilach i w tych samych dwu punktach. Rzeczywisty ruch cząstki spełnia zasadę najmniejszego działania.

Sformułowanie mechaniki za pomocą zasady Hamiltona ma wiele różnych zalet matematycznych, o których teraz nie będziemy pisać. Pojawiło się stosunkowo późno, bo w XIX wieku, choć zasada najkrótszego czasu w optyce znana była dwa stulecia wcześniej. Sam fakt, że na ruch można spojrzeć w taki sposób, jest interesujący i nowatorski. Polecam zupełnie elementarny wykład Feynmana na temat tej zasady.

Uwaga: Znikanie wariacji nie musi oznaczać minimum, tak samo jak znikanie zwykłej pochodnej funkcji niekoniecznie oznacza, że mamy do czynienia z minimum: może to być maksimum albo punkt przegięcia. Zwyczajowo mówi się o najmniejszym działaniu, choć w konkretnych przypadkach bywa to maksimum.

(*) Warto może przedstawić krótko procedurę obliczania wariacji funkcjonału. Sztuka polega na scałkowaniu przez części: jest to krok powtarzany do skutku we wszystkich obliczeniach wariacji. Chodzi o to, żeby zamiast \delta y'(x) mieć \delta y(x). Operacje różniczkowania \frac{d}{dx} i brania wariacji \delta są przemienne, bo pochodna różnicy to różnica pochodnych.

Pierwszy składnik pod całką zmienia się wskutek tego, że y'(x) zastępujemy przez y'(x)+\delta y'(x), różnica wyrażeń podcałkowych to

\frac{1}{2}N(2y'\delta y')=\frac{d}{dx}(Ny'\delta y)-Ny''\delta y,

gdzie pominęliśmy \delta y'^2. Po wstawieniu tego pod całkę otrzymujemy wynik, pamiętając, że nasze wariacje znikają na końcach przedziału: \delta y(0)=\delta y(L)=0.

Reklamy

Einstein i Mann: o tym, co pozostaje, kiedy wszystko jest stracone (1933)

Nie sądziłem, że dożyję czasów ciekawych dla historyka interesującego się fenomenem nazizmu. Bez wątpienia życie polityczne przyniesie w najbliższym czasie sporo materiału do przemyśleń. Oczywiście, wiem, wiem, obecna „pomarszczona rewolucja” w naszym kraju, to nie to samo. Ale i podobieństw nie brak.

Mamy przede wszystkim różnicę skali. Nie ma co porównywać Niemiec z lat trzydziestych do Polski. Giganta i średniaka. Kraju najbardziej zaawansowanego przemysłu z krajem z samego ogona Europy. Kraju teologów i intelektualistów z krajem, gdzie magicznym kultem otacza się nawet samochody, święcąc je uroczyście. Kraju gotyckich katedr i kraju bazyliki w Licheniu. Kraju wzorowej organizacji i kraju legendarnego bałaganu. Ojczyzny Wolfganga Goethego i ojczyzny Jarosława Marka Rymkiewicza. Kraju Richarda Wagnera i kraju Zenka Martyniuka. Kraju palącego ciała Żydów i kraju palącego kukły Żydów. Atmosferę linczu i przemocy już mamy, na razie jest to lincz medialny i przemoc symboliczna. Przemarsze kwazimodlitewne w ochronie tysięcy policjantów, zwalnianie z pracy ludzi o innych poglądach, i to nawet wtedy, gdy ich poglądy nie mają w danej pracy specjalnego znaczenia. Kary za udział w protestach. Brutalność mediów państwowych dorównujących już chyba propagandzie Goebbelsa, w dodatku działalność owych mediów finansowana jest w znacznej części z przymusowych składek pobieranych także od przeciwników reżimu (szatański pomysł, prawda?). Wszystko w dymie kadzideł i przy aprobacie niemal całego kościoła, który głosi jakąś przedziwną ewangelię rasy i narodu, a czasem ubogaca nas takimi myślami spod ołtarza, jak opinia arcybiskupa Marka, że pod Smoleńskiem prawa fizyki działały i dlatego był to zamach. To rzeczywiście jest zamach na zdrowy rozsądek i na moralność. Nie wierzę, by subtelny znawca francuskiej filozofii, uczeń Tischnera, nie rozumiał, czemu marsze z ONR-em są niezupełnie tym samym, co głosił Jezus.

Odbywa się to wszystko, jeśli nie z woli, to bez protestu narodu, który sam sobie zgotował ten los i będzie przez długi, długi czas za to płacił. Widać Polska nie potrafi zbudować państwa na dłużej niż dwadzieścia lat.

Zwolennicy Hitlera też myśleli, że budują lepszy i sprawiedliwszy kraj, w którym dla prawdziwych Niemców nastaną tysiącletnie rządy prawa i sprawiedliwości, a o tych paru Żydów i liberałów nie ma co się kłócić.

Trzeba pamiętać, że nawet w roku 1933 naziści dopiero zaczynali się rozkręcać i wciąż starali się zachować jakieś pozory. Nie wszyscy i nie od razu byli ludobójcami, to ich własny system zrobił z nich zbrodniarzy i skorumpował w miarę zdobywania i umacniania władzy. U nas też się będzie rozkręcało, tamy zostały zerwane, choć może nie zajdziemy na tej drodze tak daleko i skończy się na standardach ukraińskich albo białoruskich. Ale może i putinowskich, kto wie. Rosja Putina była zresztą zupełnie inna, kiedy zaczynał on rządzić i zupełnie inna jest teraz.

Wiosną 1932 roku Adolf Hitler przegrał wybory prezydenckie. W wyborach do Reichstagu jego partia zdobyła w lipcu tego roku 37% głosów, a w powtórnych wyborach w listopadzie już tylko 32%. Wystarczyło to jednak, aby przejąć władzę w kraju. W styczniu 1933 roku Hitler został kanclerzem.

W listopadzie 1933 w wyborach brała udział już tylko jedna partia, NSDAP, i zgadnijcie, kto wygrał? NSDAP oczywiście, choć nie otrzymała wszystkich głosów: 8% głosów było nieważnych. Tak sobie postanowiono, więc takie były wyniki wyborów.

Einstein i Mann byli ludźmi z innych światów: Żyd-internacjonalista i pisarz, który czuł się wcieleniem Goethego i niemieckiej tradycji mieszczańskiej i artystycznej. Obaj zmuszeni zostali do emigracji, niewątpliwie bardziej bolesnej dla Thomasa Manna, który nie był ani liberałem, ani Żydem, ani marksistą, ani dekadentem, ani zimnym spekulantem (wszystko to zarzucali mu naraz albo po kolei w Niemczech). Jego brat, Heinrich, pasował natomiast nieźle do tych karykaturalnych epitetów oprócz „zarzutu”, że jest Żydem, ma się rozumieć.

List Alberta Einsteina do Thomasa Manna, 29 IV 1933

Le Coq pod Ostendą 29 IV 1933

Pragnę powiedzieć panu coś zupełnie oczywistego: świadoma odpowiedzialności postawa, jaką zajął Pan i Pański Brat, stanowiła jeden z nielicznych jasnych punktów pośród wydarzeń rozgrywających się ostatnio w Niemczech. Pozostali powołani do duchowego przywództwa nie wykazali odwagi ani siły charakteru, aby odciąć się wyraźnie od tych, którzy dzięki posiadaniu środków przymusu występują dziś jako reprezentanci państwa. Poprzez to zaniechanie powiększyli jeszcze władzę, jaką posiada ten fatalny element, który szkodzi niewymownie imieniu Niemiec. Narazili się Panowie tym samym na niebezpieczeństwo, że ten sam motłoch, któremu tamci schlebiają, będzie miał Panów w pogardzie.

Jeszcze raz widać, że losy wspólnoty określone są w przeważającej mierze przez jej moralny poziom. Kiedy znowu utworzy się przywództwo godne tego miana, to odrodzi się ono tylko dzięki stopniowej krystalizacji wokół takich ośrodków, jakimi stali się Pan i Pański Brat. Nawet gdyby miał Pan tego nie dożyć, niech stanie się to dla Pana najlepszą pociechą w tych gorzkich czasach, jakie przeżywamy obecnie i jakie jeszcze przyjdzie nam przeżywać.

List Thomasa Mann do Alberta Einsteina, 15 V 1933

Bandol (departament Var)

Grand Hotel

Kilkakrotna zmiana miejsca pobytu sprawiła, że dopiero dziś mogę panu podziękować za Jego łaskawy list.

Był to największy zaszczyt, jaki spotkał mnie nie tylko w tych ciężkich miesiącach, ale może w ogóle w całym moim życiu; jednakże Pan chwali mnie za zachowanie, które było moim naturalnym odruchem, a więc nie zasługuje właściwie na pochwałę. Mniej naturalna jest dla mnie sytuacja, w którą przez to popadłem: jestem bowiem z natury zbyt dobrym Niemcem, aby perspektywa trwałego wygnania mogła nie być dla mnie bardzo ciężkim przeżyciem. Zerwanie z krajem, prawie nieuniknione, przygnębia i trwoży mnie bardzo, co jest dowodem, że stan ten nie odpowiada zupełnie mojej naturze, zdeterminowanej przez Goethowsko-reprezentatywne elementy tradycji i bynajmniej nie stworzonej do martyrologii. Tylko wyjątkowe zło i fałsz mogły mi narzucić tę rolę; bo też według mego najgłębszego przekonania cała ta „niemiecka rewolucja” jest z gruntu zła i fałszywa. Brakuje jej cech, które zjednywały sympatię świata prawdziwym rewolucjom, nawet najkrwawszym. W całej swej istocie jest nie „odrodzeniem” – cokolwiek by o tym mówili i wrzeszczeli jej wyznawcy – lecz nienawiścią, zemstą, pospolitą żądzą mordu i drobnomieszczańską małostkowością. Nie uwierzę nigdy, by mogło z tego wyniknąć coś dobrego, czy to dla Niemiec, czy to dla świata. Fakt, żeśmy do ostatka ostrzegali przed siłami, które doprowadziły do tej katastrofy moralnej i intelektualnej, na pewno będzie kiedyś dla nas tytułem do chwały, ale my zapewne przedtem zginiemy.

w: Tomasz Mann. Listy 1889-1936, przeł. W. Jedlicka, Czytelnik, Warszawa 1966, s. 436-437.

Nie ma w historii niezawinionych upadków, społeczeństwa albo stają na wysokości swego losu, albo nie.

Einstein o patriotyzmie (1915)

Toczyła się wojna światowa, Niemcy napadły na Belgię, popełniając wiele zbrodni wojennych i łamiąc traktaty. Wszystko po to, aby raz jeszcze upokorzyć Francuzów i zdobyć Paryż, jak w roku 1871. Tym razem sztuka się nie udała i linia frontu ustabilizowała się na całe lata, ponieważ żadna ze stron nie potrafiła ustąpić. Einstein obserwował to ze zgrozą. Przeniósł się niedługo przed wybuchem wojny do Berlina, skuszony posadą członka Pruskiej Akademii Nauk (najmłodszego w dziejach) i brakiem obciążeń pedagogicznych. Był obywatelem Szwajcarii, jako nastolatek zrzekł się obywatelstwa Rzeszy, ponieważ nie chciał służyć w wojsku. Teraz, otoczony zewsząd entuzjazmem i bojowym nastawieniem niemieckich kolegów, pogrążył się w pracy. Czuł się jak ktoś zdrowy psychicznie w domu wariatów.

Zabijanie wrogów ojczyzny, w ogóle zabijanie, nie było w jego pojęciu łatwe do moralnego usprawiedliwienia. Wśród lektur uczonego znalazł się esej Lwa Tołstoja Chrześcijaństwo i patriotyzm, w którym autor pisał:

Wszyscy uważamy się za wolnych, wykształconych, humanitarnych ludzi, a także za chrześcijan, jednocześnie jednak znajdujemy się w takiej sytuacji, że gdyby jutro Wilhelm obraził się na Aleksandra albo pan N.N. napisał podburzający artykuł o kwestii wschodniej, albo jakikolwiek książę ograbił jakichkolwiek Bułgarów albo Serbów, albo jakaś królowa czy cesarzowa obraziła się z jakiegokolwiek powodu, to my wszyscy, humanitarni chrześcijanie, powinniśmy iść zabijać ludzi, których nie znamy i wobec których mamy takie same przyjazne uczucia jak wobec wszystkich ludzi. (…) Do tego, aby wprowadzić największe i najważniejsze zmiany w życiu ludzkości, nie potrzeba wielkich czynów: ani uzbrojenia milionowej armii, ani budowy nowych dróg i maszyn, ani urządzania wystaw, ani zakładania związków robotniczych, ani rewolucji, ani barykad, ani wybuchów, ani wynalazków, ani latania w powietrzu – potrzebna jest jedynie zmiana przekonań opinii publicznej.

Tołstoj porównywał w tym eseju patriotyczne uniesienia do swoistej społecznej epidemii, do czegoś na kształt opisanej przez profesora psychiatrii z Kijowa Iwana Sikorskiego malewanszczyzny: kiedy wśród chłopów z niektórych wsi guberni kijowskiej zaczęła szerzyć się wiara, iż niebawem nastąpi koniec świata, przestali pracować, zaczęli ucztować, rozdawać swoje mienie albo kupować rzeczy zupełnie im niepotrzebne, np. parasolki czy jedwabne chusteczki, i stracili zainteresowanie dla wszelkich codziennych obowiązków.

Einstein zgadzał się z zawartą w eseju krytyką wychowania społecznego. W samym środku gorączkowej pracy nad teorią grawitacji, na przełomie października i listopada 1915 roku, znalazł czas, by napisać krótki tekst zawierający jego poglądy na temat wojny. Powstał on na prośbę Towarzystwa Goethego (Goethebund), które przygotowywało właśnie„księgę pamiątkową ojczyzny”, Das Land Goethes 1914–1916 („Kraj Goethego 1914–1916”). Uczony pisał:

Psychologiczne korzenie wojny mają według mnie swe biologiczne podłoże w agresywnym charakterze samców. Nie tylko my – «korona stworzenia» – możemy się poszczycić tym wyróżnieniem; niektóre zwierzęta, np. byk i kogut, przewyższają nas w tym względzie. Owa skłonność do agresji wysuwa się na plan pierwszy, ilekroć poszczególne samce znajdą się obok siebie, a jeszcze bardziej, kiedy mają ze sobą do czynienia bliskie sobie społeczności. Prowadzi to niemal zawsze do sporów, które kończą się na kłótniach i morderstwach, jeżeli nie podejmie się stosownych środków zaradczych, aby im zapobiec. Nigdy nie zapomnę krwiożerczej i szczerej nienawiści, jaką żywili przez lata moi szkolni koledzy do pierwszoklasistów ze szkoły na sąsiedniej ulicy. Toczyły się niezliczone bójki na pięści, w wyniku których niejeden malec miał rozbitą głowę. Któż może wątpić, iż wendeta i pojedynki wyrastają z uczuć tego rodzaju?

(…) Mimo niewymownie smutnej sytuacji obecnej, przekonany jestem, że w najbliższej przyszłości będzie możliwe utworzenie w Europie ponadnarodowej organizacji, która sprawi, iż wojny europejskie staną się tak samo niemożliwe, jak teraz w Rzeszy Niemieckiej niemożliwa jest wojna pomiędzy Bawarią i Wirtembergią.

Opowiadał się też Einstein za przewietrzeniem ideału patriotyzmu, który pod pozorem świętości skrywa mordercze instynkty wobec innych, i otwarcie deklarował swe internacjonalistyczne przekonania:

Można zastanawiać się nad pytaniem: czemu podczas pokoju, kiedy wspólnota państwowa tłumi niemal każdą formę męskiej wojowniczości, ludzie nie tracą tych zdolności i motywacji, które umożliwiają im popełnianie masowych zbrodni na wojnie? Przyczyny wydają mi się następujące. Kiedy zaglądam do umysłu zwykłego dobrego obywatela, widzę w nim jasno oświetlony, przytulny pokoik. Gospodarz pokazuje każdemu gościowi swoją dumę: stojący w kącie, troskliwie przechowywany relikwiarz, na którym dużymi literami wypisane jest słowo patriotyzm. Zazwyczaj nie wolno otwierać tego relikwiarza. Co więcej, gospodarz sam nie wie albo ledwie się domyśla, że relikwiarz ów skrywa moralne rekwizyty bestialskiej nienawiści i masowych zbrodni, które wydobędzie z niego w razie wojny, by ich użyć. Relikwiarza tego rodzaju nie znajdziesz, drogi czytelniku, w moim pokoju i byłbym szczęśliwy, gdybyś i ty uznał, że w owym kącie twojego pokoju pianino albo półka z książkami byłyby bardziej na miejscu niż tamten mebel, który uważasz za znośny jedynie dlatego, że przywykłeś do niego od wczesnej młodości.
Nie mam zamiaru ukrywać swoich ponadnarodowych przekonań. Ludzie i ludzkie organizacje są mi bliskie zależnie od tego, jak oceniam ich zamiary i zdolności. Państwo, do którego należę jako obywatel, nie odgrywa w moim życiu duchowym żadnej roli, ponieważ postrzegam je raczej jako związek oparty na interesie, tak jak moje stosunki z towarzystwem ubezpieczeń na życie. (Z tego, co wyżej powiedziałem, powinno być jasne, że muszę starać się być obywatelem takiego państwa, które nie będzie mnie zmuszać do udziału w wojnie.)

Cały ostatni fragment nie ujrzał wówczas światła dziennego – wypowiadanie publicznie myśli tego rodzaju podczas trwającej wojny mogłoby niepotrzebnie zdemobilizować czytelników.

Po cóż jednak tyle słów – kończył swą wypowiedź Einstein – skoro mogę wszystko zamknąć w jednym zdaniu, i to zdaniu, które mnie, jako Żydowi, szczególnie przystoi wypowiedzieć:

«Czcijcie Pana waszego, Jezusa Chrystusa, nie tylko słowami i pieśnią, lecz przede wszystkim uczynkami».

To, co czasem sprawiało u Einsteina wrażenie cynizmu, było raczej swego rodzaju prostotą; podobnie myślał Tołstoj, który nie potrafił zrozumieć, jak chrześcijanin może zabijać.

Einstein o Lukrecjuszu, 1924

PIOTR: Ktoś ty? DUCH: Lukrecy, Lewiatan, Voltaire, Alter Fritz, Legio sum.

[A. Mickiewicz, Dziady]

Dziś zajmiemy się diabłem zwanym przez wieszcza Lukrecy, czyli Lukrecjusz.

Żyjący w I w. p.n.e. Titus Lucretius Carus, autor poematu O rzeczywistości (in. O naturze rzeczy), był zarazem wybitnym poetą i zwolennikiem atomizmu w wersji Epikura. Idea, że świat zbudowany jest z atomów i nie jest kierowany przez osobowe bóstwa, przyjmowała się trudno i z oporami. Człowiek ma umysł, który chętnie postrzega rzeczywistość w kategoriach celu. Dlatego w różnych epokach od starożytności począwszy traktowano poglądy Lukrecjusza jako absurdalne i heretyckie. Nie wierzono, aby jako tako uładzony wszechświat mógł powstać bez czynnej interwencji bóstwa. Zderzające się w nieskończoności atomy wydawały się wizją jałową i ponurą, a do tego wielce nieprawdopodobną: no bo jak długo musiałyby się zderzać atomy, by utworzyć Einsteina? Wiemy jednak, że Einstein powstał nie z mgławicy gazowej, lecz jako człowiek, a człowiek od australopiteka itd. itp. Życie na Ziemi powstało (w skali kosmicznej) niemal nazajutrz po utworzeniu się planety, co wskazywałoby albo na to, że ewolucja od chemii do biologii nie jest aż tak nieprawdopodobna, albo wracamy do kapłanów i ich wyjaśnień na ten temat, które nic nie wyjaśniają.

Poniższy tekst jest wstępem Alberta Einsteina do poematu Lukrecjusza. Uczony zdobył w tym czasie światową sławę, choć nie wszystkich Niemców to cieszyło, albowiem był on Żydem. W kraju, po puczu monachijskim Adolfa Hitlera i wciąż w kryzysie gospodarczym, narastały kompleksy i nacjonalizm. Toteż Einstein czuł się tam, jak „ktoś, kto leży w dobrym łóżku, lecz oblazły go pluskwy”. Znamy to uczucie.

https://kierul.wordpress.com/2013/02/01/einstein-zydowski-prorok-we-wlasnym-kraju/

https://kierul.wordpress.com/2012/11/22/einstein-i-mann-koniec-wielkich-niemiec/

Każdy, kto nie idzie całkowicie z duchem naszego czasu i kto czuje się niekiedy obserwatorem otaczającego świata, a zwłaszcza duchowej postawy swych współczesnych, nie może pozostać obojętny na czar dzieła Lukrecjusza. Widzimy w nim bowiem, jak wyobraża sobie świat człowiek niezależny, wyposażony w żywe doznania zmysłowe i zdolność rozumowania, obdarzony naukową i spekulatywną ciekawością, człowiek, niemający najmniejszego pojęcia o osiągnięciach współczesnej nauki, które nam wpojono w dzieciństwie, nim jeszcze mogliśmy się z nimi skonfrontować w sposób świadomy i krytyczny.

Głębokie wrażenie robi na nas niezmącona pewność Lukrecjusza – wiernego ucznia Demokryta i Epikura – że świat jest zrozumiały, tzn. wszystko, co się w nim dzieje, powiązane jest łańcuchem przyczyn i skutków. Żywi on mocne przekonanie, a nawet sądzi, iż potrafi udowodnić, że wszystko bierze się z poddanego prawom ruchu niezmiennych atomów, którym nie przypisuje żadnych innych własności prócz geometrycznych i mechanicznych. Jakości zmysłowe, takie jak ciepło, zimno, barwa, zapach i smak, sprowadzają się do ruchu atomów; to samo dotyczy życia. Dusza i umysł są w jego mniemaniu zbudowane ze szczególnie lekkich atomów, wiąże on przy tym (niezbyt konsekwentnie) pewne szczególne własności materii z konkretnymi cechami doświadczenia.

Za najważniejszy cel swego dzieła uważa Lukrecjusz uwolnienie człowieka od niewolniczego strachu, wynikłego z religii i przesądów, a podsycanego i wykorzystywanego przez kapłanów dla własnych celów. Z pewnością jest to dla niego bardzo ważne. Wydaje się jednak, że powoduje nim przede wszystkim chęć przekonania czytelników do atomistyczno-mechanistycznego obrazu świata, choć nie odważa się tego powiedzieć wprost praktycznie nastawionym Rzymianom. Wzruszający jest też jego szacunek dla Epikura oraz języka i kultury Grecji, które uważa za znacznie doskonalsze niż język łaciński i kultura rzymska. Przynosi Rzymianom zaszczyt, że można było mówić im takie rzeczy. Czy któryś ze współczesnych narodów potrafiłby wypowiadać się tak szlachetnie o innym?

Wiersze Dielsa czyta się tak naturalnie, iż zapomina się, że to przekład.

Berlin, czerwiec 1924 roku

http://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol14-doc/498

Czy ogon macha psem? – o pewnym argumencie na rzecz heliocentryzmu

W listopadzie 1948 roku Albert Einstein napisał w liście do starego przyjaciela:

U nas, jak dotąd, wszystko dobrze. Także moja siostra nie cierpi, choć obiektywnie jej stan pogarsza się w sposób widoczny. Czytam jej co wieczór – dziś np. dziwne argumenty wysuwane przez Ptolemeusza przeciwko poglądowi Arystarcha, że Ziemia się obraca, a nawet obiega Słońce. Nie mogę się oprzeć skojarzeniu z niektórymi argumentami współczesnych fizyków: uczone i wyszukane, ale bez wyczucia. Ocena wagi argumentów w roztrząsaniach teoretycznych to zawsze kwestia intuicji.

Maja Einstein cierpiała po udarze i powoli gasła, była jednak sprawna umysłowo, toteż brat czytał jej wieczorami rozmaite książki, przeważnie klasyczne (Maja miała doktorat z filologii romańskiej). W sprawie mechaniki kwantowej Albert Einstein zapewne się mylił, miał jednak rację, że póki dane rozwiązanie naukowe dopiero się kształtuje, jest in statu nascendi, dopóty nie ma prostego sposobu ustalenia, jakie argumenty są trafne, a jakie nie, trzeba zawierzyć intuicji.

Dyskusja na temat tez kopernikańskich była długa i zażarta. Spojrzymy tu tylko na jeden argument, który sam nie miał jakiejś ogromnej wagi i niczego nie przesądził, ale wiązał się wyraźnie z wyobrażeniem wszechświata. Według Kopernika porusza się niewielka Ziemia, a nie ogromne niebo. W szczególności to owa niewielka Ziemia krąży wokół znacznie większego Słońca, a nie na odwrót.

Johannes Kepler pisał (Astronomia nova, 1609, Introductio): „Popatrzmy tedy na ciała Ziemi i Słońca i zdecydujmy, któremu z nich bardziej przystoi być źródłem ruchu tego drugiego. Czy to Słońce, które porusza także pozostałe planety, porusza Ziemią, czy też Ziemia – Słońcem, poruszającym owe pozostałe [planety] i tylekroć od niej większym?” Myślał tu o układzie Tychona Brahego, w myśl którego wszystkie planety prócz Ziemi krążą wokół Słońca. Dla Keplera było to nieprawdopodobne, gdyż uważał, że to Słońce jest źródłem siły poruszającej planetami, z jego punktu widzenia układ Tychona nie miał uzasadnienia dynamicznego, bo ruchem Słońca wokół Ziemi rządziłoby wówczas jakieś inne i odrębne prawo. Ponadto Słońce jest znacznie większe od Ziemi. Mamy więc ogon machający psem.

cyrano

Co wiedziano na temat rozmiarów Słońca i Ziemi? Astronomowie mieli zwyczaj używania kąta, tzw. paralaksy (dziennej). Paralaksa Słońca to kąt, pod jakim ze Słońca widać byłoby promień Ziemi. Oczywiście, niełatwo taki kąt znaleźć. Od starożytności wierzono, iż kąt ten wynosi 3′, Kepler przypuszczał, że równy on jest 1′, pod koniec wieku XVII znano już w przybliżeniu prawidłową wielkość: p\approx 9''. Z trójkąta prostokątnego na rysunku łatwo wyznaczyć odległość Słońca w jednostkach promienia Ziemi. Ten sam rysunek moglibyśmy zastosować, zamieniając miejscami Słońce i Ziemię: otrzymalibyśmy wówczas kątowy promień tarczy słonecznej widzianej z Ziemi \theta. W takim razie stosunek promienia Słońca R_S do promienia Ziemi R_Z równy jest

\dfrac{R_S}{R_Z}=\dfrac{\sin\theta}{\sin p}\approx \dfrac{\theta}{p}\approx \dfrac{16'}{p}.

(Sinusy małych kątów możemy zamienić wielkościami samych kątów.) Ptolemeusz sądził więc, że Słońce jest 5 razy większe od Ziemi, Kepler – że jest 15 razy większe, a naprawdę jest ono przeszło sto razy większe.

Digges_Leonard_1596_A_prognostication_everlastinge_of_right_good_effect_Page_15(1)

Leonard Digges, Prognostication Everlasting, 1596

Co odpowiadano na taki argument? Uczony jezuita Giovanni Riccioli w swoim niezwykle obszernym i kompetentnym dziele Almagestum novum (1651) nie miał innego wyjścia niż zwalczać Kopernika, gdyż tak postanowił Kościół Święty, a przynajmniej ówczesny papież, w sprawie Galileusza. Na argument, iż łatwiej i mniejszym kosztem byłoby Bogu i Naturze poruszać niewielką Ziemią zamiast ogromnym niebem, Riccioli stwierdza, że po pierwsze wysiłek nie jest tu aż tak wielki, ponieważ we wszechświecie ruch nie napotyka żadnego oporu, a po drugie Bóg oraz Inteligencje łatwo by sobie poradziły, nawet gdyby jakieś opory występowały.

Huygens_Christiaan_1698_The_celestial_worlds_discoverd_Page_15

Christiaan Huygens, Cosmotheoros, wyd. ang., 1698 (wartość paralaksy Słońca jest już mniej więcej znana)

Popularną wersję odpowiedzi znajdziemy u Besiana Arroya, dokora Sorbony i teologa miasta Lyonu, który w 1671 roku napisał książeczkę Le Prince Instruit (Władca oświecony), zadedykowaną samemu królowi, w której oświeca przyszłych polityków. Otóż Ziemia tkwi nieruchomo w środku, ponieważ jest ciężka. Zgodnie z fizyką Arystotelesa, gdyby nawet się poruszyła, to tylko ruchem prostoliniowym, bo ciężkie ciała spadają ku centrum świata. Gwiazdy zaś (tzn. wszelkie ciała niebieskie) „wedle swej naturalnej dyspozycji są lekkie, okrągłe i ustanowione, aby oświetlać Ziemię, toteż muszą się poruszać zgodnie ze swą naturalną skłonnością i dążnością, jaką dał im Wszechmocny”. Śmiechu warty jest Kopernik, w jego systemie jest tak, jakbyśmy przenosili komnaty, stoły i całe domostwa w pobliże pochodni, by je oświetlić, zamiast wnieść pochodnię do środka. Zwolennicy filozofii Arystotelesa nie wierzyli w jedność materii: dla nich ciała niebieskie były z eteru, nie miały więc bezwładności i stosunkowo nietrudno było nimi poruszyć. Inaczej to wyglądało dla tych, którzy jak Kepler i Galileusz, szukali jednolitych praw i jednolitej materii w całym wszechświecie.

Chrześcijanie tradycyjni wierzyli także, że cały świat stworzony został dla człowieka, jego rozmiary świadczyły o potędze Boga. Sceptycy widzieli to nieco inaczej. Cyrano de Bergerac pisał: „Dorzuć pan do tego nieznośną a właściwą ludziom pychę, która wmówiła im, że Naturę dla nich jedynie stworzono, jak gdyby ktoś mógł dać wiarę, że Słońce, olbrzymie ciało 434 razy większe od Ziemi [chodzi o objętość – J.K.], zapalono tylko z tej racji, aby dojrzewała ich nieszpułki i aby obradzała kapusta” (Tamten świat, przeł. J. Rogoziński). Bernard Le Bovier de Fontenelle dopowiadał: „Do owego szalonego Ateńczyka niejako podobni jesteśmy, który sobie uroił, że wszystkie okręty do portu Pirejskiego przybijające do niego należały. Nasze szaleństwo w tym się wydaje, iż mniemamy, że cały świat dla naszych szczególnie stworzony został wygód, i gdy się pytamy filozofów, na co się przyda tak wiele gwiazd stałych, których jedna część też by czyniła skutki, które wszystkie razem czynią, odpowiadają ozięble, iż do ukontentowania oczu ich służą” (przeł. E. Dębicki, przekład uwspółcześniony. za: W. Voisé, Historia kopernikanizmu w dwunastu szkicach). Książkę Fontenelle’a przełożył na polski ksiądz pijar Eustachy Dębicki w 1765 roku, a więc osiemdziesiąt lat po jej napisaniu. W 1687 roku kwestię, co krąży wokół czego rozstrzygnął Isaac Newton. Stwierdził z pewną satysfakcją, że nikt dotąd nie miał racji, gdyż planety i Słońce krążą wokół wspólnego środka masy, więc ściśle biorąc także Słońce nie jest nieruchome.

W połowie wieku XVIII do przeszłości należały nie tylko fizyka Arystotelesa i boje o kopernikanizm, ale zdążył zapanować i upaść także kartezjanizm, i to nawet we Francji, gdzie był najmocniejszy. Nikt poważnie już nie wątpił w mechanikę Newtona. Rewolucja naukowa XVII wieku dopiero teraz zaczęła docierać także do Polski. Ksiądz Jędrzej Kitowicz, nie do końca świadomie, daje świadectwo potwornego zacofania, z jakiego zaczęto się wówczas wydobywać:

W akademiach zaś publicznych, czyli generalnych, jako to krakowskiej, zamojskiej i wileńskiej, prócz nauk dopiero wyliczonych były nadto: nauka matematyki wszelkiego rodzaju, astrologii, geografii, geometrii, kosmografii, do tego: jurisprudencji, medycyny, i zwały się te akademie universitates. Co się tycze ogółem filozofii – tej patriarchów nie było więcej jak dwóch: Arystoteles i św. Tomasz, ponieważ na wszystkich dysputach nie tłomaczyli się inaczej walczący z sobą, tylko albo „iuxta mentem Aristotelis”, albo „iuxta mentem divi Thomae”. W akademiach kto się promował do godności doktorskiej w filozofii, musiał przysięgać, jako inaczej nie będzie trzymał i uczył, tylko „iuxta mentem divi Thomae”; ci tedy, którzy się trzymali zdania Arystotelesa, zwali się peripatetici, a którzy św. Tomasza, zwali się thomistae.

Pierwsi pijarowie jakoś około roku 1749 czyli trochę wyżej odważyli się wydrukować w jednym kalendarzyku politycznym niektóre kawałki z Kopernika, dowodzące, że się ziemia obraca, a słońce stoi. Czego ledwo dostrzegli jezuici, nie omięszkali i swoich rozumów, co ich tylko mieli najbystrzejszych, użyć przeciwko pijarom, ciężkim przeciwnikom swoim, ale też inne zakony przeciw nim poburzyć o takową hypothesim, czyli zdanie dawnej nauce przeciwne. Rozruch ten po szkołach był na kształt pospolitego ruszenia przeciwko pijarom; wydawali książki zbijające takową opinią, zapraszali pijarów na dysputy i najwięcej z tej materii pijarom dokuczeć usiłowali. Ci atoli, coraz nowy jaki kawałek wyrwawszy z teraźniejszych wodzów filozoficznych: Kopernika, Kartezjusza, Newtona, Leibniza, dokazali tego, że wszystkie szkoły przyjęły neoteryzm, czyli naukę recentiorum [nowszych autorów], według której ziemia się obraca koło słońca, nie słońce około ziemi, tak jak pieczenia obraca się koło ognia, nie ogień koło pieczeni. Koloru nie masz żadnego w rzeczach, tylko te barwy, które na nich widziemy: białe, czarne, zielone, czerwone, żółte etc., sprawuje temperament oczu i światła, czego jest wielkim dowodem jabłko na przykład, w dzień zielone, które toż samo przy świecach wydaje się granatowe; że ból, świerzbienie i inne czucia nie mają swego placu w ciele, tylko w duszy, ponieważ ciało bez duszy nic nie czuje. (Opis obyczajów za panowania Augusta III, rozdział O szkołach publicznych).

Równoważność masy i energii: Albert Einstein (1906, 1946)

Chodzi o słynny wzór E=mc^2. Jest to tzw. energia spoczynkowa ciała, czyli energia ciała, które jako całość się nie porusza. Jeśli ciało się porusza, to dodatkowo ma także energię kinetyczną (przy niewielkich prędkościach jest ona taka sama jak w mechanice newtonowskiej: E_k=\frac{mv^2}{2}). W teorii względności należy energię spoczynkową doliczać do bilansu wszystkich rodzajów energii – bez energii spoczynkowej bilans ten jest niepełny i zasada zachowania energii nie jest spełniona. Wzór Einsteina oznacza także, że jeśli pewne nieruchome ciało zwiększy energię, np. zostanie podgrzane, to wzrośnie także jego masa. W gruncie rzeczy współczynnik z prędkością światła: c^2 jest jedynie przelicznikiem między energią i masą, moglibyśmy np. mierzyć masę w jednostkach energii, co praktykuje się w odniesieniu do cząstek elementarnych. Energia odpowiadająca nawet niewielkim masom jest olbrzymia, obliczmy energię odpowiadającą 1 kg:

E=1\mbox{ kg}\cdot(3\cdot 10^8\mbox{ m/s})^2=9\cdot 10^{16}\mbox{ J}.

Nie wyobrażamy sobie, co taka wielkość oznacza w praktyce. Bomba termojądrowa o wielkości 20 Mt trotylu wyzwala energię równoważną 0,93 kg. Inaczej mówiąc, masa produktów eksplozji jest mniejsza od masy substratów o 0,93 kg, ubytek ten przejawia się jako energia kinetyczna oraz energia promieniowania. Jest to 1000 razy więcej energii niż wyzwoliło się w wybuchu bomb nad Hiroszimą i Nagasaki.

timelipiec1946

Einstein został przez media uznany za duchowego ojca broni jądrowej, choć nie miał z nią nic wspólnego, nigdy nie zajmował się fizyką jądrową, a podczas drugiej wojny światowej nie dopuszczono go do Projektu Manhattan, ponieważ mu nie dowierzano. Zresztą pewnie nie na wiele by się przydał, problemy, które tam rozwiązywano, były raczej odległe od jego naukowych kompetencji, chodziło bowiem o inżynierskie zaplanowanie wybuchającego układu, postawienie fabryki rozdzielającej izotopy uranu itd. Wzór Einsteina pochodził z roku 1905, kiedy niewiele było nadziei, iż uda się go doświadczalnie potwierdzić. Łatwo zrozumieć dlaczego tak było: ubytek 1 kg masy odpowiada energii wyzwolonej w wybuchu 20\mbox{ Mt}=2\cdot 10^{10}\mbox{ kg} trotylu. Jeśli potraktować wybuch trotylu jako typową reakcję chemiczną, to widzimy, że należałoby ważyć produkty i substraty z dokładnością względną rzędu 10^{-10}, aby wykryć zmianę masy. Dlatego w chemii obowiązuje zasada zachowania masy, dopiero w reakcjach jądrowych pojawiają się energie, przy których wzór Einsteina zaczyna się praktycznie liczyć.

Uczony wielokrotnie przedstawiał różne proste doświadczenia myślowe, które uzasadniały ten wzór. Przedstawimy poniżej dwa takie rozumowania: z roku 1906 i z roku 1946.

einstein1906

Wyobraźmy sobie cylindryczny pojemnik o masie M zawieszony gdzieś w pustej przestrzeni i początkowo spoczywający. W pewnej chwili z lewego końca pojemnika wysyłana jest fala świetlna w kierunku w prawo. Fala ta ma energię E oraz pęd E/c – jest to wynik najzupełniej klasyczny, niezwiązany ani z teorią względności, ani z mechaniką kwantową. Można obliczyć, że kiedy fala elektromagnetyczna porusza jakimś ładunkiem i przekazuje mu energię E, to musi także przekazać mu pęd równy E/c (pęd ten przejawia się w zjawisku zwanym ciśnieniem promieniowania). W czasie, gdy fala biegnie w prawo, nasz pojemnik musi poruszać się w lewo: całkowity pęd musi nadal być równy zeru. Mamy więc

-Mv+\dfrac{E}{c}=0\Rightarrow v=\dfrac{E}{Mc}.

 Ruch pojemnika w lewo oraz impulsu falowego w prawo trwa, dopóki fala nie dobiegnie do prawego końca pojemnika, gdzie jest pochłonięta. Pojemnik przesunie się więc w lewo o wielkość

\Delta x=v\Delta t=\dfrac{E}{Mc}\dfrac{L}{c}=L\dfrac{E}{Mc^2}.

Położenie środka masy naszego układu nie może się zmienić pod wpływem tego, co dzieje się wewnątrz cylindra. Skoro cylinder przesunął się w lewo, to jakaś masa m wewnątrz niego musiała przemieścić się w prawo. W naszym przypadku jedynym fizycznym obiektem, który się przesunął, jest fala elektromagnetyczna: przebiegła ona odległość L w prawo. Skoro środek masy układu cylinder+fala elektromagnetyczna się nie przesuwa, to wielkości przesunięć obu tych obiektów muszą być w odwrotnym stosunku do ich mas:

\dfrac{m}{M}=\dfrac{\Delta x}{L}=\dfrac{E}{Mc^2}\Rightarrow m=\dfrac{E}{c^2}.

Powinniśmy więc przemieszczanie się energii traktować jako przemieszczanie się masy.

Drugie rozumowanie Einsteina pochodzi z roku 1946, co pokazuje, że wracał on niejednokrotnie do tych samych tematów i zastanawiał się nad nimi. Pisał w jednym z listów, że w wolnych chwilach lubi sobie wyprowadzić na nowo jakiś znany mu wzór czy zależność.

einstein1946

Teraz mamy spoczywające ciało o masie M, które pochłania dwie padające na nie z przeciwnych kierunków fale elektromagnetyczne. W tym układzie odniesienia ciało nadal będzie spoczywać po pochłonięciu obu fal, ponieważ ich pędy są przeciwne. Rozpatrzmy teraz tę samą sytuację w układzie primowanym, w którym nasze ciało przed pochłonięciem fal porusza się z prędkością v. Kierunki prędkości fal nieco się zmienią, jest to aberracja światła, odkryta kiedyś przez Jamesa Bradleya. Jeśli prędkość v jest niewielka w porównaniu z prędkością światła, kąt aberracji równy jest \alpha=v/c radianów (wynik ten nie wymaga teorii względności). Zastosujmy teraz zasadę zachowania pędu w układzie primowanym. Wiemy, że prędkość naszego ciała się nie zmieni, bo w układzie nieprimowanym spoczywa ono przed i po pochłonięciu impulsów światła. Musi więc zmienić się jego masa:

M'v=Mv+2\dfrac{E}{2c}\sin\alpha=\left(M+\dfrac{E}{c^2}\right)v \Rightarrow M'=M+\dfrac{E}{c^2}.

Masa nieruchomego ciała wzrosła wskutek pochłonięcia energii: kiedy leżymy na słońcu nasza masa rośnie.

Czemu warto czytać o Einsteinie?

W lutym 2016 roku ogłoszono odkrycie fal grawitacyjnych docierających z kosmosu. Po raz
kolejny potwierdziła się w ten sposób teoria grawitacji Alberta Einsteina. Mimo że od śmierci uczonego minęło przeszło sześćdziesiąt lat, wciąż docierają do nas nowe konsekwencje jego odkryć: soczewkowanie grawitacyjne, kondensacja Bosego-Einsteina, a teraz fale grawitacyjne stają się narzędziem dla nowych pokoleń badaczy. Ten bodaj najsłynniejszy uczony wszech czasów wniósł ogromny wkład do fizyki: fotony, pierwsze zastosowania idei kwantów, względność czasu, równoważność masy i energii, teoria grawitacji, która zmieniła nasz sposób myślenia o wszechświecie – nie jest to wyczerpująca lista jego osiągnięć. Jednak nie tylko one sprawiły, że miliony ludzi tak interesowały się jego życiem i poglądami.
Przebył długą drogę od zbuntowanego ucznia porzucającego gimnazjum do siwowłosego mędrca, którego zna cały świat. Był człowiekiem odważnym i bezkompromisowym, zabierał głos w obronie wolności, zwalczał nacjonalizm i rasizm, zachowując przy tym poczucie humoru i dystans do własnej osoby. Jego niezależny charakter narażał go stale na kłopoty: po studiach on jeden spośród swego rocznika długo nie mógł znaleźć pracy, nie chciała go żadna uczelnia ani szkoła. Pierwszą stałą posadę znalazł w biurze patentowym w Bernie. Przepracował tam siedem lat i w tym czasie powstała znaczna część jego dorobku naukowego. Także później nie stał się typowym profesorem, rzadko prowadził wykłady, nie miał doktorantów, chętnie współpracował z inżynierami, był współautorem wielu patentów. Niemal dwadzieścia lat spędził w Berlinie, gdzie jego żydowskie pochodzenie i lewicowe poglądy często ściągały na niego niewybredne ataki antysemitów i „dobrych Niemców”. Kiedy Adolf Hitler został kanclerzem i zaczął bezwzględnie podporządkowywać sobie kraj, Einstein publicznie oświadczył, że będzie „żył wyłącznie w państwie, w którym na pierwszym miejscu stoją wolności obywatelskie, tolerancja i równość obywateli wobec prawa. Niestety, nie jest to rzeczywistość obecnych Niemiec”. Zerwał wszelkie oficjalne więzi z ojczyzną i zaangażował się w pomoc ludziom zmuszonym do jej opuszczenia. Resztę życia spędził w Stanach Zjednoczonych, pracując w coraz większym osamotnieniu nad jednolitą teorią pola i zabierając od czasu do czasu głos w sprawach publicznych. Także i tutaj jego poglądy nie wszystkim się podobały: FBI Johna Edgara Hoovera zgromadziło grube teczki donosów i podsłuchów, szukając jakichś śladów antyamerykańskiej działalności uczonego.
Pracując nad swą nigdy nieukończoną jednolitą teorią pola, mawiał: „Wielkość naukowa jest w zasadzie kwestią charakteru. Najważniejsze to nie iść na zgniłe kompromisy”. Do końca pozostał nonkonformistą, nie pozował na nadczłowieka i choć mylił się wielokrotnie, zarówno w sprawach naukowych, jak i obywatelskich, były to zawsze błędy uczciwe i popełnione w dobrej wierze.