Najważniejsza chwila w naukowym życiu Alberta Einsteina: wyjaśnienie anomalii Merkurego (18 XI 1915)

Jeszcze latem 1915 roku Einstein sądził, że od dwóch lat jest autorem prawidłowej teorii grawitacji. Chodziło o pracę napisaną wspólnie z Marcelem Grossmannem, dziś zwaną jako teoria Entwurf. Miała ona pewne wady, przede wszystkim była nieelegancka i nie dopuszczała stosowania dowolnych układów współrzędnych, wbrew pierwotnym zamysłom Einsteina. Autor przekonywał jednak swoich korespondentów, że nic lepszego nie można sformułować, choć jak się zdaje, sam był nie do końca przekonany. W czerwcu 1913 roku zastosował teorię Entwurf do obliczeń znanej i od lat niewyjaśnionej anomalii w ruchu Merkurego. Gdyby Merkury podlegał jedynie przyciąganiu grawitacyjnemu Słońca, jego orbita byłaby dokładnie eliptyczna i oś owej elipsy nie zmieniałaby położenia względem gwiazd. Wiemy od czasów Newtona, że inne planety także mają pewien wpływ na ruch Merkurego. Jednym ze skutków ich łącznego oddziaływania jest powolny obrót osi elipsy Merkurego w płaszczyźnie orbity. Stosując prawo powszechnego ciążenia wyjaśniono niemal całkowicie obserwowany obrót osi elipsy (in. obrót peryhelium). W połowie XIX wieku Urbain Le Verrier, współodkrywca planety Neptun, stwierdził, że pozostaje niewielki obrót, którego nie daje się wyjaśnić na podstawie praw Newtona. Różnica 43 sekund kątowych na stulecie nie poddawała się żadnym rachunkom. Znaczyło to, że choć efekt jest drobny, to musi kryć się za nim jakaś nieznana dotąd przyczyna: albo nie zaobserwowaliśmy jeszcze wszystkich planet (hipoteza planety Wulkan), albo newtonowskie prawo ciążenia należy w jakiś sposób zmodyfikować dla małych odległości (dlatego anomalia widoczna była najlepiej w przypadku planety najbliższej Słońca). Obu tych dróg próbowano bez skutku. Toteż w 1913 roku Einstein zastosował znalezioną przez siebie teorię Entwurf do tego problemu. Ponieważ często mylił się w rachunkach, więc poprosił o pomoc Michele Bessa. Otrzymali odchylenie od teorii Newtona, ale równe było tylko 18” i Einstein stracił zapał do tej kwestii. Obserwowana anomalia w ruchu Merkurego była jednak na tyle niewielka, że nie było pewności, czy nawet prawidłowa teoria zdoła ją wyjaśnić. Zanim dojdzie się do owych 43”, trzeba uwzględnić wiele rozmaitych efektów w sumie dających 5600” – istniała więc możliwość, że astronomowie czegoś nie uwzględnili, np. możliwości nieznacznego spłaszczenia Słońca. Na razie teoria Entwurf wydawała się całkiem dobra, sprawę Merkurego Einstein odłożył ad acta.

Dopiero jesienią 1915 roku uświadomił sobie, że teoria Entwurf nie zachowuje się tak, jak tego oczekiwał w obracających się układach współrzędnych. Ten brak, który Einstein przeoczył dzięki elementarnym pomyłkom w rachunkach, zapoczątkował powrót do punktu wyjścia pracy z Grossmannem. I tak, jak rok 1905 był cudownym rokiem Einsteina (kiedyś tego określenia: annus mirabilis użyto w odniesieniu do prac Newtona w roku 1666), listopad 1915 roku okazał się jego mensis mirabilis: w cztery kolejne czwartki tego miesiąca przedstawiał on Królewsko-Pruskiej Akademii Nauk prace rozwiązujące ostatecznie problem równań pola w teorii grawitacji. Były one sukcesywnie publikowane w „Sitzungsberichte” Akademii z tygodniowym opóźnieniem. W pierwszej, drugiej i czwartej przedstawione zostały kolejne propozycje równań pola – dopiero ostatnia była całkowicie poprawna. Sam ich autor napisał pod koniec miesiąca:
„Niestety, unieśmiertelniłem w sprawozdaniach Akademii (…) końcowe błędy popełnione w tej walce”. Praca trzecia zawierała obliczenie ruchu perihelium Merkurego; tym razem Einstein otrzymał 43″ na stulecie, wynik, który trafił do podręczników fizyki. Wyjaśnił też, już na zawsze, iż odchylenie promienia świetlnego w pobliżu Słońca powinno być dwa razy większe, niż sądził do tej pory. Przyczyną było  zakrzywienie przestrzeni trójwymiarowej, które należy wziąć pod uwagę także przy słabym polu grawitacyjnym – coś, o czym wcześniej nie pomyślał.

Szybkie postępy pracy Einsteina w tych  gorączkowych tygodniach wynikały także częściowo z presji, jaką odczuwał: wiedział bowiem, że tym samym problemem zajął się David Hilbert w Getyndze.  Korespondowali nawet trochę w tym czasie, ale  żaden z nich nie znał dokładnie wyników uzyskanych  przez drugiego. Hilbert zapisał tzw. równanie  wariacyjne dla teorii względności – w wielu dzisiejszych  podręcznikach tak właśnie wprowadza się  równania pola Einsteina. Jak się jednak zdaje, Hilbert nie  przeprowadził obliczeń i nie uzyskał w tym czasie równań wynikających z zasady wariacyjnej (w dodatku  jego teoria nie była ogólnie kowariantna). Einstein  zwrócił mu uwagę, że trudność leży nie w napisaniu  równań, lecz w ich fizycznej interpretacji: „Trudno było dostrzec, że równania te są uogólnieniem, tzn. prostym i naturalnym uogólnieniem prawa Newtona”.

Poinformował też kolegę z Getyngi, iż trzy lata wcześniej rozważali już z Grossmannem takie równania.  Była to ścisła informacja, w Notatniku zuryskim znajdujemy tensor, który pojawił się w pierwszej  listopadowej pracy z roku 1915. Cudowna szybkość, z jaką teraz mógł się posuwać, związana była z tym,  że po pierwsze, korzystał z różnych wyników cząstkowych uzyskanych wcześniej, a po drugie, w ciągu  trzech lat nauczył się skutecznie używać geometrii różniczkowej.

Dowiadując się o sukcesie Einsteina w sprawie peryhelium Merkurego, Hilbert zauważył z pewną  zazdrością (i chyba z lekkim poczuciem wyższości): „Gdybym potrafił liczyć tak szybko jak pan, elektron  skapitulowałby w obliczu mojego równania, a atom wodoru musiałby jakoś się wytłumaczyć, dlaczego nie  promieniuje”. Także i tym razem nie chodziło o szybkość prowadzenia obliczeń, Einstein nie był jakimś  szczególnie sprawnym rachmistrzem, po prostu obliczenia ruchu peryhelium Merkurego już wcześniej  przeprowadzał, teraz musiał w nich to i owo zmienić, ale nie był to zupełnie nowy problem. Druga część  cytowanego wyżej zdania Hilberta wskazuje także na inny brak jego pracy: chciał on zbudować za jednym  zamachem teorię wszystkiego, w szczególności miał chyba nadzieję na uzyskanie widma wodoru –  zaledwie dwa lata wcześniej Niels Bohr po raz pierwszy otrzymał na drodze teoretycznej prawidłowe  długości linii widma. Jego teoria nie była całkowicie poprawna z dzisiejszego punktu widzenia, stanowiła  jednak krok ku mechanice kwantowej. David Hilbert próbował alternatywnego podejścia, które nie  okazało się udane.

Obaj uczeni zmagali się też z dość prostymi dziś trudnościami matematycznymi: nie znali np. tzw. zwężonych tożsamości Bianchiego, które automatycznie zapewniają, że zasada zachowania pędu-energii jest spełniona. Tożsamości te znane były w literaturze matematycznej, lecz nie od razu nauczono się ich używać w tym kontekście. Wiele kwestii matematycznych miało być w nadchodzących latach wyjaśnione w ślad za powstaniem teorii Einsteina, co przyciągnęło uwagę zarówno fizyków, jak i może nawet częściej
matematyków. Dziś geometria różniczkowa przestała być wiedzą tajemną, uczą jej setki książek, co świadczy o postępie nauki. Jak napisał kiedyś antropolog społeczny Max Gluckman: „Nauką jest każda dyscyplina, w której głupiec obecnego pokolenia może pójść dalej niż geniusz pokolenia poprzedniego” (nb. napisał to jako wprowadzenie do swojej krytyki poglądów Bronisława Malinowskiego).

Sprawa priorytetu uzyskania równań pola wywołała przejściowe napięcie w  stosunkach Einsteina z Hilbertem, jednak matematyk ostatecznie pogodził się z faktem, że choć wniósł pewien wkład w powstanie teorii grawitacji, to nie on jest jej twórcą.

Anomalia Merkurego była pierwszym wielkim sukcesem nowej teorii. On sam wspominał chwilę, gdy uzyskał zgodny z obserwacjami wynik jako kulminacyjny punkt swego życia naukowego. Pomyślmy tylko: przez osiem lat starał się zbudować teorię, która byłaby logicznym rozwinięciem szczególnej teorii względności. Przez ten czas zajmował się tylko kwestiami warunków fizycznych i matematycznych, jakie nowa teoria powinna spełniać. Nie korzystał z żadnych danych eksperymentalnych. I po tej całej pracy zawieszonej gdzieś w świecie abstrakcyjnych spekulacji okazuje się, że wynik pasuje do superdokładnych obserwacji i obliczeń astronomów poprzednich pokoleń, rozwiązuje problem postawiony jeszcze przez Le Verriera. „Przez kilka dni nie posiadałem się z radosnego podniecenia” – pisał do Paula Ehrenfesta. Innemu koledze zwierzał się: „Coś we mnie wtedy pękło”. Kolejny sukces teorii: zmierzenie w roku 1919 ugięcia światła w pobliżu Słońca, zapoczątkował wprawdzie ogromną sławę uczonego, lecz nie miał już takiego znaczenia w jego życiu wewnętrznym. Od jesieni 1915 roku Einstein wierzył niezachwianie w swoją teorię.

Przyjrzymy się obliczeniu precesji peryhelium Merkurego. Najpierw pokażemy, czemu w teorii Newtona elipsa planety się nie obraca.

Będziemy stosować zasadę zachowania energii i opisywać ruch planety we współrzędnych biegunowych .

Jak widać z rysunku kwadrat prędkości możemy za pomocą twierdzenia Pitagorasa zapisać w postaci

gdzie kropki oznaczają pochodne po czasie. Jeśli planeta o jednostkowej masie znajduje się w odległości od Słońca o masie , to jej całkowita energia równa jest

jest stałą grawitacyjną, a masa planety jest nieistotna, o ile interesuje nas jedynie ruch względny planety wokół Słońca. Oprócz energii zachowany jest także moment pędu równy

Matematycznie równanie to jest równoważne prawu pól Keplera. Wyznaczamy stąd prędkość kątową planety i wstawiamy do równania zachowania energii:

Otrzymaliśmy problem jednowymiarowy dla funkcji . W nawiasie mamy różnicę całkowitej energii i efektywnej energii potencjalnej

Jest to suma funkcji oraz z pewnymi współczynnikami liczbowymi. Dla małych dominuje człon drugi, odpychający. Dla dużych – pierwszy, przyciągający. Cały potencjał efektywny wygląda następująco:

Gdy całkowita energia odpowiada minimum potencjału, możliwa jest tylko jedna wartość , co odpowiada ruchowi po okręgu. Gdy energia jest nieco większa, dozwolony pozostaje ograniczony przedział promieni wodzących . Dla jeszcze większej energii planeta odleci do nieskończoności.

Aby wyznaczyć kształt toru należy zrobić dwie rzeczy: zastosować nową zmienną oraz różniczkowanie po czasie zastąpić różniczkowaniem po kącie . Korzystamy z (*) i (**)

Równanie toru przybiera postać

Wyrażenie podpierwiastkowe musi być nieujemne. Znak przed pierwiastkiem zależy od kierunku ruchu, dalej wybieramy znak plus. Wyrażenie podpierwiastkowe w przypadku planety będzie wyglądało jak na rysunku

Wobec tego kąt zakreślony przed planetę między aphelium i peryhelium będzie równy

Szczegóły rachunku przytaczam poniżej, idea jest taka, że całka jest typu , co daje arcus sinus, którego całkowita zmienność to właśnie . Ponieważ planeta oscyluje w promieniu wodzącym od aphelium do peryhelium i z powrotem, całkowity kąt między dwoma apheliami albo dwoma peryheliami równy jest . Oznacza to, że tor jest krzywą zamkniętą. Fakt ten znał już Isaac Newton i nieruchomość osi orbit planet przytaczał jako argument świadczący o tym, że siła przyciągania Słońca zmienia się jak . Twierdzenie udowodnione pod koniec XIX wieku przez Bertranda głosi, że tylko siła grawitacji i siła proporcjonalna do odległości prowadzą do zamkniętych torów wokół centrum (różnych od okręgu). Oczywiście, jeśli uwzględnimy także siły pochodzące od pozostałych planet, ten prosty obraz zostanie zaburzony: nadal przybliżenie eliptyczne jest dobrym punktem wyjścia, ale elipsy ulegają powolnej precesji, szczególnie wyraźnej w przypadku Merkurego.

Przejdźmy teraz do przypadku rozważanego przez Einsteina. Metryka czasoprzestrzeni wokół Słońca dana jest rozwiązaniem Schwarzschilda:

gdzie zostawiliśmy tylko ruch w płaszczyźnie, postać funkcji podamy później. Równania ruchu cząstki otrzymujemy z warunku maksymalnego czasu własnego

Okazuje się, że zasada ta jest równoważna zasadzie wariacyjnej

Inaczej mówiąc spełnione są równania Lagrange’a z powyższym lagranżianem, kropka oznacza teraz całkowanie po czasie własnym , trójka opisuje ruch cząstki. Ponieważ metryka (i lagranżian) nie zależy jawnie od czasu oraz kąta , więc dwa równania wyglądają szczególnie prosto:

gdzie jest pewną stałą podczas ruchu cząstki. Drugie równanie ma postać

gdzie jest inną stałą ruchu. Oba te równania odpowiadają zasadzie zachowania energii oraz momentu pędu u Newtona i wynikają z podobnych powodów fizycznych: zasada zachowania energii jest spełniona, gdy translacja w czasie jest symetrią układu, zasada zachowania momentu pędu jest spełniona, gdy obrót wokół osi (u nas prostopadłej do płaszczyzny orbity) jest symetrią układu.

Zamiast rozważać równanie Lagrange’a dla zmiennej możemy skorzystać z faktu, że podczas ruchu cząstki masywnej :

Wyznaczajmy stąd kwadrat prędkości radialnej

Funkcje dane są w przypadku rozwiązania Schwarzschilda równaniami

 jest promieniem Schwarzschilda. Tak jak w przypadku newtonowskim wprowadzamy zmienną i korzystamy ponownie ze związku (***). W wyniku dostajemy

Porównując to wyrażenie z newtonowskim, widzimy, że pomijając inną definicję stałej energii (wyraz wolny pod pierwiastkiem), mamy dwa wyrazy z oraz takie, jak poprzednio, doszedł teraz wyraz trzeciego stopnia. Wyrażenie podcałkowe ma teraz trzy pierwiastki rzeczywiste i wykres jak poniżej.

Szukamy niewielkiej poprawki do ruchu newtonowskiego, wobec tego pierwiastki powinny leżeć tak jak poprzednio, a trzeci pierwiastek powinien być znacznie od tamtych większy. Całkę

można obliczyć jako całkę eliptyczną. Przejrzystsza jest tu jednak metoda przybliżona. Zapisujemy wielomian P'(u) w postaci

Mamy w tym przybliżeniu ponownie do czynienia z całką zawierającą pierwiastek z trójmianu kwadratowego, jaką obliczaliśmy już wcześniej.

Całkując, dostajemy

Aby obliczyć wielkość porównujemy wyrazy zawierające w wyrażeniu . Otrzymamy

możemy więc w przybliżeniu napisać

Kąt między aphelium a perihelium planety równa się łącznie

Precesja peryhelium przypadająca na jeden obieg planety będzie dwa razy większa

W ostatnim wyrażeniu oznaczają odpowienio dużą półoś i mimośród orbity planety. Jak widać, metoda obliczeń zastosowana przez Einsteina była całkiem elementarna. Poprzednio w teorii Entwurf, w pracy z 1913 roku, którą  pod względem rachunkowym sprawdzał Besso, otrzymywało się wartość dodatkowej precesji na obieg równą

stąd owe nieszczęsne 18” na stulecie.

Całki, które pojawiają się w tym zagadnieniu, oblicza się za pomocą podstawienia

Przedział całkowania przechodzi w przedział . Bardziej wymyślna metoda to użycie konturu na płaszczyźnie zespolonej wokół cięcia , choć w tym przypadku jest to trochę overkill. Einstein we wcześniejszej pracy na temat peryhelium z roku 1913 stosuje metodę zespoloną do całej rodziny całek podobnego typu (można to zobaczyć w t. 4 Einstein Papers).

W każdym razie obliczenie ruchu peryhelium nie było bynajmniej czymś wyrafinowanym, co mogłoby sprawić trudność Hilbertowi albo Einsteinowi. Istotny był nowy punkt wyjścia, nowe spojrzenie na czasoprzestrzeń.

Elementy – Euklides (ok. 300 p.npe.)

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

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

[Vaticanus graecus 190]

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

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

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

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

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

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

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

Na to Euklides zawołał niewolnika i powiedział:

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

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

Pięć postulatów głosi kolejno, że

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

I,9 Skonstruować dwusieczną danego kąta.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Walter Ritz, rówieśnik Einsteina (1878-1909)

Nauka jest przedsięwzięciem zbiorowym, ostatecznie to społeczność uczonych – niczym chór greckiej tragedii – osądza protagonistów i komunikuje boskie wyroki. Jest przedsięwzięciem zbiorowym także w bardziej trywialnym i współczesnym znaczeniu mrowiska, w którym nie należy przeceniać roli poszczególnych mrówczych jednostek. Jednak „lawina bieg od tego zmienia, po jakich toczy się kamieniach”, a tragedia byłaby niemożliwa bez głównych postaci. Z jednej więc strony mamy etos mrówek trudzących się dla kolektywnego dobra, z drugiej – kult bohaterów, herosów wyobraźni i intelektu.

Walter Ritz był człowiekiem niezwykle utalentowanym i zdążył wnieść oryginalny wkład do nauki, mimo że cierpiał na gruźlicę, która odbierała mu siły, a po kilku latach odebrała także i życie. Nie osiągnął tyle, ile by chciał i potrafił, ale zdążył już zaznaczyć swoją indywidualność. Chciałbym zestawić jego drogę naukową z biegiem życia i dorobkiem młodszego niemal dokładnie o rok Alberta Einsteina. Przed rokiem 1909 Einstein nie był jeszcze sławny, wręcz przeciwnie: słyszało o nim niewielu i jego kariera dopiero się zaczynała. Dopiero jesienią tego roku wziął po raz pierwszy udział w konferencji naukowej, zamienił także posadę w Biurze Patentowym w Bernie na stanowisko profesora nadzwyczajnego uniwersytetu w Zurychu. Pensja na obu stanowiskach była dokładnie jednakowa. Konkurentem Einsteina do posady był Walter Ritz, uczelnia by go wolała, „ponieważ jest Szwajcarem i według zdania naszego kolegi Kleinera jego prace wykazują nadzwyczajny talent graniczący z geniuszem”. Choroba nie pozwoliła jednak Ritzowi objąć tego stanowiska. Einstein otrzymał więc swoje pierwsze stanowisko naukowe niejako w zastępstwie za kolegę. Wcześniej ze starań o tę posadę wycofał się Friedrich Adler, który tak jak Einstein, zrobił doktorat u Alfreda Kleinera, profesora zwyczajnego na uniwersytecie w Zurychu. Drugi etat profesorski dla fizyka był skutkiem jego zabiegów, tak to się wówczas odbywało: mógł być jeden Ordinarius z danej dziedziny, ewentualnie tworzono także pomocniczy, nie tak prestiżowy i gorzej płatny, etat Extraordinariusa. Adler wszakże niezbyt walczył o stanowisko, bardziej interesowała go filozofia nauki i działalność socjalistyczna (był synem znanego psychologa i przywódcy austriackich socjalistów Victora Adlera). Pisał w roku 1908 do ojca: „Zapomniałem powiedzieć, kto prawdopodobnie otrzyma profesurę: człowiek, któremu z punktu widzenia społeczeństwa należy się ona znacznie bardziej niż mnie i kiedy ją otrzyma, będę się z tego bardzo cieszył mimo pewnej przykrości. Nazywa się Einstein, studiował w tym samym czasie co ja, chodziliśmy razem na niektóre wykłady. (…) Ludzie z jednej strony odczuwają wyrzuty sumienia z powodu tego, jak go wcześniej potraktowano, z drugiej zaś strony skandal jest szerszy i dotyczy całych Niemiec: żeby ktoś taki musiał tkwić w biurze patentowym”.

Walter Ritz był w tym czasie Privatdozentem w Getyndze. Pochodził ze Sionu w Szwajcarii, ojciec, malarz pejzaży i scen rodzajowych, przyrodnik, geolog, etnograf i alpinista, zmarł w 1894 roku po długiej chorobie. Walter uczęszczał w tym czasie do liceum i uchodził za nader utalentowanego. W 1897 zaczął studia na politechnice w Zurychu, był więc o rok niżej niż Einstein. Ritz z początku miał być inżynierem, lecz zmienił wydział na nauczycielski (jak Einstein). Obaj chodzili na wykłady tych samych profesorów. Albert Einstein nie cieszył się jednak dobrą opinią: profesor fizyki Heinrich Weber uważał go za przemądrzałego i aroganckiego i nie miał najmniejszej chęci zostawiać go na uczelni. Weber nie był wybitnym uczonym, ale Politechnika miała znakomitych matematyków, wśród nich dwóch wielkich: Hermanna Minkowskiego i Adolfa Hurwitza. Einstein w tamtym okresie niezbyt pasjonował się matematyką, toteż i na wykłady chodził rzadko. Minkowski, który później stworzył matematyczne sformułowanie teorii względności, nie spodziewał się zbyt wiele po Einsteinie: „Byłem niezwykle zdumiony, gdyż wcześniej Einstein był zwykłym wałkoniem. O matematykę w ogóle się nie troszczył” [C. Seelig, Albert Einstein, s. 45]. Nie lepszą opinię miał zapewne Hurwitz, kiedy Einstein, nie mogąc nigdzie znaleźć pracy, w akcie rozpaczy, zwrócił się do niego o asystenturę, spotkała go milcząca odmowa, choć nie prosił o wiele: Politechnika stale potrzebowała asystentów do prowadzenia ćwiczeń i sprawdzania prac studenckich.

Znacznie wyżej oceniany był Walter Ritz. W roku 1901 wyjechał on na dalsze studia do Getyngi. Minkowski, który był w stałym kontakcie ze swym przyjacielem Davidem Hilbertem, pisał: „W następnym semestrze będziesz miał u siebie matematyka stąd, W. Ritza, który wykazuje dużo zapału, ale jak dotąd wyszukiwał sobie same nierozwiązywalne problemy”. [List do Davida Hilberta, 11 III 1901, Briefe an Hilbert, s. 139] Uniwersytet w Getyndze stał się w tamtych latach najważniejszym ośrodkiem matematycznym, nie brakowało tam także fizyków teoretycznych i doświadczalnych. Centrum stanowili Felix Klein i David Hilbert, dwaj przyjaciele i znakomici matematycy, wytyczający kierunki badań w swej ukochanej dziedzinie. Niedługo dołączyć miał do nich Hermann Minkowski. Walter Ritz uczęszczał na wykłady Hilberta, a także zaczął pracować nad doktoratem pod kierunkiem fizyka teoretycznego i znawcy twórczości Bacha, Woldemara Voigta. Oprócz ważnych nauczycieli poznał Ritz w Getyndze także wybitnych rówieśników. Zaprzyjaźnił się niemal od razu z Paulem Ehrenfestem, a także z Tatianą Afanasevą, Rosjanką, przyszłą żoną Paula, także studiującą fizykę. Ehrenfest był studentem Ludwiga Boltzmanna w Wiedniu i do Getyngi przyjechał, gdy Boltzmann wywędrował z Wiednia.

Doktorat Ritza dotyczył spektroskopii atomowej. Chodziło o wyjaśnienie obserwowanych serii widmowych. Np. częstości widzialnych linii wodoru opisać można wzorem Balmera:

Stosując mianowniki typu można było opisać także inne serie widmowe, np. metali alkalicznych. Serie częstości nasuwały myśl o falach stojących, a więc układzie przypominającym strunę albo membranę. Ładunek drgający z częstością wysyła falę elektromagnetyczną o takiej właśnie częstości. W przypadku kwadratowej membrany równanie ruchu ma postać:

Jest to po prostu dwuwymiarowe równanie falowe ( są odpowiednio czasem i współrzędnymi kartezjańskimi w płaszczyźnie membrany, opisuje wychylenie membrany, stała jest prędkością fal w membranie). Łatwo stwierdzić, że dozwolone częstości własne opisane są wyrażeniem

Zakładamy tu, że krawędzie membrany pozostają cały czas nieruchome. Ritz spróbował znaleźć równania, które mogłyby opisać wzór Balmera i inne podobne przypadki. W przypadku wzoru Balmera odpowiednim równaniem okazało się

Oznaczyliśmy tu pochodne cząstkowe po odpowiednich zmiennych przez , gdzie . Dobierając odpowiednio warunki brzegowe, udało się Ritzowi znaleźć także bardziej skomplikowane wzory na częstości linii widmowych. Równania te były wysokiego rzędu (tutaj dziesiątego), w dodatku o niespotykanej w fizyce postaci. Znak minus po prawej stronie oznacza, że zamiast laplasjanu (który wynika z symetrii obrotowej) do opisu membrany stosujemy pewne niestandardowe wyrażenie. Ritz pokazał, że jego równania wynikały z zasady wariacyjnej, formalnie więc były w porządku. Słabość tego podejścia tkwiła w braku jakiegokolwiek wyobrażenia drgającego atomu: po prostu bierzemy do obliczeń membranę, która nie może być czymś istniejącym w przyrodzie. Nikt wówczas nie miał pojęcia, jak wyglądają atomy, dopiero niedawno ustalono, że istnieją elektrony – naładowane cząstki o masie tysiące razy mniejszej niż masy atomów. Serie częstości w fizyce klasycznej odpowiadały zawsze falom stojącym, wystarczy pomyśleć o instrumentach muzycznych, które z punktu widzenia fizyka są rozmaicie zbudowanymi generatorami fal opartymi na falach stojących w strunie czy w słupie powietrza.

Model Ritza odniósł pewien sukces: przewidział, że w serii rozmytej potasu powinna istnieć linia widmowa odpowiadająca długości fali Å. W następnym roku, udało mu się tę linię zidentyfikować w widmie. Po doktoracie Ritz zaczął podróże naukowe: lato 1903 spędził w Lejdzie, gdzie słuchał wykładów H. Lorentza, potem znalazł się w Bonn, gdzie odkrył „swoją” linię potasu, w listopadzie pracował już w laboratorium profesora Aimé Cottona w École Normale w Paryżu. Zima paryska dała mu się we znaki, jakiś czas musiał spędzić w sanatorium w Sankt Blasien w Schwarzwaldzie. Gdy poczuł się lepiej, pojechał do Zurychu, aby wywołać swe klisze z widmami w podczerwieni naświetlone w Paryżu. Jakiś czas przemieszkał w Sion pod opieką matki. Lekarze zabraniali mu pracować, twierdząc, że to szkodzi jego zdrowiu. Zimą 1906/1907 pisał z Nicei do przyjaciela:

Zgodzi się pan ze mną, że nie mogę w takim stopniu co inni wierzyć w przyszłość, która miałaby mi wynagrodzić stan obecny. Pozostało mi zapewne niewiele czasu i jestem mocno zdeterminowany, aby spędzić go w środowiskach naukowych i intelektualnych, bo tylko tak znaleźć mogę zadowolenie i poczucie, że żyję, a może właśnie to stanowi warunek mojego wyzdrowienia? Drogi przyjacielu, nie mogę mieć nadziei ani na szczęście rodzinne, ani na dobre samopoczucie starego kawalera cieszącego się zdrowiem, pozostaje mi jedynie Nauka i życie intelektualne, i doprawdy nie mam siły zakopywać się tutaj w imię bardzo niepewnego celu.

Wrócił do pracy, zimę 1907/1908 spędził w Tybindze, gdzie współpracował z Friedrichem Paschenem, badającym eksperymentalnie widma pierwiastków. Ritz miał nowe pomysły na temat budowy atomu i mogli wymieniać się pomysłami oraz wynikami. Następnie wrócił do Getyngi, gdzie został Privatdozentem, choć nie prowadził zajęć ze względu na stan zdrowia. Henri Poincaré interesował się jego pracami i odwiedzając Getyngę, spotkał się z nim i ogłosił zamiar przyznania mu nagrody Lecomte’a przez francuską Akademię Nauk. Był to już ostatni rok życia Ritza.

Co robiło tak wielkie wrażenie na jego współczesnych? Badania nad seriami linii widmowych – po doktoracie Ritz zaproponował jeszcze jeden model atomowy: była to drgająca i obracająca się wokół osi naładowana struna. Także i ten model stanowić miał jedynie matematyczne uzasadnienie dla obserwowanych prawidłowości widm, nie mówił nic na temat np. własności chemicznych czy budowy wewnętrznej atomu. Próbował za pomocą swego modelu wyjaśnić anomalny efekt Zeemana: zjawisko rozszczepiania linii widmowych w silnym polu magnetycznym. Cząstkową teorię tego zjawiska podał Hendrik Lorentz, za co otrzymał wraz z Peterem Zeemanem Nagrodę Nobla w roku 1902. Teoria Lorentza nie opisuje jednak wszystkich obserwowanych przypadków, te niewyjaśnione objęto określeniem: anomalny efekt Zeemana – jak to często bywa, za normalne uznajemy to, co dobrze rozumiemy. Prace Ritza zawierały jeden istotny szczegół techniczny: częstości linii widmowych były w nich różnicami dwóch wyrażeń. W istocie chodzi o zasadę zachowania energii:

(Stała jest stałą Plancka). Ritz nie napisał jednak takiego równania i uznałby je za bezsensowne. Jego rozważania opierały się na klasycznej teorii drgań i nie było w nich miejsca na fotony. Równanie takie znalazło się po raz pierwszy u Bohra, choć on także nie wierzył w fotony. Duński uczony sądził, że energie po prawej stronie określone były warunkami kwantowania (zawierającymi stałą Plancka – sygnał, że mamy do czynienia z fizyką kwantową), ale przejścia miedzy poziomami energetycznymi prowadziły do wysłania fali o energii danej powyższym równaniem. Sama postać tego równania, nawet jeśli nie rozumiemy różnych stałych, może być przydatna. Np. dodając stronami dwa takie równania otrzymać możemy:

Jest to związek między wielkościami obserwowanymi, mówi się w tym kontekście o zasadzie kombinacji, wcześniej zauważonej przez Janne Rydberga. Ritz znalazł dla tej zasady wyjaśnienie, choć fałszywe. Postęp w rozumieniu budowy atomów oraz wyjaśnieniu widm nastąpił dopiero za kilka lat, po odkryciu przez Ernesta Rutherforda jądra atomowego i sformułowaniu przez Nielsa Bohra znanego modelu, który stanowił przełom w badaniach. Sam Bohr opowiadał później, że o widmach dowiedział się z książki Johannesa Starka Prinzipien der Atomdynamik (cz. 2), gdzie znalazły się wzory Balmera, jak i informacje o różnych pracach na ten temat, m.in. Waltera Ritza. Z kolejnych teorii atomu szwajcarskiego fizyka nie zostało nic. Nie da się zbudować teorii atomu bez fizyki kwantowej.

Wyjaśnienie anomalnego efektu Zeemana udało się dopiero po wprowadzeniu pojęcia spinu elektronu w 1925 r. Nie wiemy, co Walter Ritz potrafiłby wnieść do tych prac, gdyby nadal żył. Wiemy natomiast, że musiałby zmienić podejście, bo tą drogą nie doszedłby do sukcesu. Widać jednak ambicję młodego fizyka, by zmierzyć się z jednym z najtrudniejszych problemów fizyki.

Jedynym fizykiem, który mógłby zapisać równanie na różnicę energii, był w tym czasie Einstein. Energia fotonu to był jego pomysł, traktowany przez kolegów jako aberracja. Ritz nie wierzył ani w prace kwantowe Einsteina, ani w teorię względności. Najwyraźniej on także nie traktował serio pomysłów kolegi ze studiów. Teoria względności zastępowała pojęcia czasu i przestrzeni jedną wspólną rozmaitością: czasoprzestrzenią, co zauważył Hermann Minkowski, który od roku 1902  pracował już w Getyndze. Nienaruszona była przy tym elektrodynamika Maxwella w postaci nadanej jej przez Hendrika Lorentza. Ritz wybrał inną drogę: też nie wierzył w eter i uznawał zasadę względności, ale postulował, aby zmienić elektrodynamikę. Jego podejście oznaczałoby zarzucenie koncepcji pola elektromagnetycznego. Elektrodynamika Ritza została jedynie zarysowana, byłaby ona teorią bardzo skomplikowaną matematycznie i nieelegancką. Gdy źródło światła się poruszało, to jego prędkość powinna się dodawać do . Einstein dyskutował na temat elektrodynamiki z Ritzem, ogłosili nawet razem króciutki protokół rozbieżności w tej sprawie. Zdaniem Einsteina należy startować z pojęcia pola – cała jego dalsza kariera była z tym pojęciem związana.

Innym osiągnięciem Ritza było sformułowanie eleganckiej metody przybliżonej dla opisu drgań, za jej pomocą rozwiązał zagadnienie figur Chladniego.

Osiągnięcia Ritza są niepełne i niedokończone za sprawą choroby. Jednak w chwili śmierci Ritza i on, i Einstein mieli dorobek porównywalny ilościowo: jeden solidny, pięćsetstronicowy tom dzieł. Einstein ceniony był w Berlinie, gdzie pracowali Max Planck, Max Laue i Walther Nernst. Inni zachowywali dystans wobec jego prac i albo o nich nic nie wiedzieli, albo nie wiedzieli, co myśleć. Hermann Minkowski też niezbyt często wymieniał nazwisko Einsteina, może wciąż go pamiętał jako leniwego studenta? Ritz również zajmował się problemami fundamentalnymi i był chyba lepiej rozumiany przez kolegów. W jego przypadku doktorat był początkiem kontaktów z wieloma uczonymi, niewątpliwie działała tu opinia doktoratu z Getyngi, jeśli nie miał wprost jakichś listów polecających. Można się zastanawiać nad tym, jak potoczyłaby się kariera naukowa Einsteina, gdyby mniej zrażał ludzi do siebie i nie był taki arogancki? Przecież on także mógłby trafić do Getyngi i poddać się czarowi eleganckiej, choć częstokroć jałowej fizyki matematycznej. Pomogłoby mu to niewątpliwie w dalszej karierze, chyba że nie przekonałby Minkowskiego. Czy nie zaszkodziłoby mu to jednak w sensie naukowym? Ritz spędził sporo czasu w naukowym odosobnieniu z powodu choroby, ale był już mimo młodego wieku szanowanym uczonym i miał kontakty. Einstein był w tym czasie niemal całkowicie izolowany. Pracował osiem godzin dziennie w biurze przez sześć dni w tygodniu i zadowolony był, że mają z Milevą co jeść i że zostają mu wieczory oraz niedziele na pracę naukową. Opowiadał potem Infeldowi, że do trzydziestki nie widział prawdziwego fizyka teoretyka. Nie jest to prawda w sensie ścisłym, bo poznał np. Maksa Lauego, ale z pewnością zaczynał jako kompletny autsajder, który niemal wszystkiego nauczył się sam z książek i artykułów.

Do Getyngi trafił Einstein znacznie później, już jako samodzielny mistrz. Przedstawił tam swoją teorię grawitacji w czerwcu roku 1915. Skończyło się to zresztą dwuznacznym incydentem, gdyż praca ta spodobała się Hilbertowi, co miało ten skutek, że pod koniec roku obaj pracowali nad nią równolegle i mało brakowało, a Einstein zostałby pozbawiony satysfakcji postawienia kropki nad i, tzn. zapisania równań pola. W Getyndze bowiem uczeni nie mieli oporów przed korzystaniem z wyników kolegów, traktując je jako rodzaj dobra wspólnego. Nazywało się to u nich „nostryfikacją” cudzych wyników.

Prace Einsteina cechuje ogromna intuicja: zazwyczaj miał on dobre wyczucie, czego należy się trzymać i w którą stronę zmierzać. Tak było np. z polem elektromagnetycznym. Einstein wiedział, że teoria Maxwella ma ograniczenia kwantowe, ale samo pojęcie pola traktował jako fundament. Cenił bardzo dorobek Lorentza (znany mu wyłącznie z publikacji), który na Ritzu nie zrobił wielkiego wrażenia, mimo że znał jego autora. Einstein przed rokiem 1905 rozpatrywał możliwość innej elektrodynamiki, zgodnej z mechaniką Newtona, była ona podobna do późniejszej propozycji Ritza. Dlatego później nie tracił już czasu na koncepcje, które kiedyś odrzucił po starannym namyśle. Prawdopodobnie właśnie przez to, że Ritz był umysłem o wiele mniej rewolucyjnym, współcześni cenili go wyżej, osiągnięcia Einsteina od początku wydawały się kontrowersyjne, niektórzy wielcy uczeni, jak Henri Poincaré podchodzili do nich bardzo sceptycznie. Nie wiemy, jak rozwinąłby się Walter Ritz, gdyby wcześniej odkryto penicylinę, ale można przypuszczać, że był już ukształtowany intelektualnie i nie stać by go było na żaden rewolucyjny skok w nieznane. Teoretycy rzadko robią coś rewolucyjnego po trzydziestce, chyba że kontynuują coś, co już wcześniej sami zaczęli. Dorobek Einsteina z tamtych lat jest bardzo mało techniczny, nie ma tam właściwie wcale skomplikowanych obliczeń, są raczej proste rozumowania i pomysłowe argumenty. W porównaniu prace Waltera Ritza wydają się znacznie bardziej zaawansowane. A jednak: „Ten piękny wysiłek w porównaniu z geniuszem jest tym, czym urywany lot świerszcza w porównaniu z lotem jaskółki” (A. Camus).

Jak można odtworzyć wzór Balmera? Szukając rozwiązań w postaci sinusów wzdłuż i oraz o częstości , otrzymamy ( jest długością boku kwadratu):

Drugie pochodne sprowadzają się teraz do mnożenia przez odpowiedni czynnik, podstawiając do równania Ritza, otrzymamy

skąd przy dostajemy wzór Balmera.

Emmy Noether i jej twierdzenie, część I (1918)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 

Augustin Fresnel: piękna matematyka dyfrakcji (1818)

Stanisław Lem stwierdził kiedyś: „Nikt nic nie czyta, a jeśli czyta, to nic nie rozumie, a jeśli nawet rozumie, to nic nie pamięta”. Zjawisko to zresztą stare jak świat, w gruncie rzeczy różne informacje przypominają elementy puzzli: bez nich nie da się złożyć obrazka, ale one same nie wystarczą, bo trzeba jeszcze je odpowiednio dopasować. Każdy, kto się czegoś uczył, zauważył pewnie, że jeśli uda nam się coś dobrze zrozumieć, stworzyć pewną logiczną strukturę z tego, czego się uczyliśmy, to trudno to potem zapomnieć. Łatwo się zapomina fragmenty, które nigdy nam do niczego nie pasowały albo pasowały dość luźno.

Historycy mają skłonność sądzić, że jeśli X czytał albo choć posiadał w bibliotece tekst Y, to znaczy, że Y wpłynął na X. Często zresztą X sam nie wie, czy Y na niego wpłynął. Na uniwersytecie w Getyndze, będącym matematycznym centrum Niemiec, sto lat temu mówiło się o „nostryfikacji” idei czy pomysłów. Znane nawet było pojęcie „samonostryfikacji”, gdy ktoś wpadał na pomysł kiedyś już przez niego samego opublikowany. Einstein latem roku 1915 wygłosił tam cykl wykładów o swej teorii grawitacji, sądząc, że jest zakończona. Jesienią zauważył, że równania pola grawitacyjnego powinny być inne i zaczął nad nimi gorączkowo pracować, tym intensywniej, że w Getyndze David Hilbert zajął się tym samym tematem – groziła więc Einsteinowi „nostryfikacja” ze strony jednego z najlepszych matematyków tamtych czasów. Ostatecznie to Einstein pierwszy zapisał prawidłowe równania teorii grawitacji, można powiedzieć, że wszystko się skończyło szczęśliwie, bo włożył wiele trudu w zbudowanie tej teorii i należała mu się taka finałowa satysfakcja.

Augustin Fresnel był z zawodu inżynierem drogowym, nadzorował rozmaite budowy na prowincji. Może nie zająłby się poważniej fizyką, która go interesowała, lecz o której nie wiedział zbyt wiele, gdyby nie Napoleon. Wielki cesarz powrócił właśnie z zesłania na Elbie i próbował odbudować imperium, co jak wiemy skończyło się bitwą pod Waterloo. Fresnel jako polityczny przeciwnik cesarstwa stracił posadę i miał dużo wolnego czasu, który spędzał w rodzinnej wiosce matki, Mathieu w regionie Calvados, pod nadzorem policji. Z pomocą miejscowego kowala zbudował przyrządy do obserwacji optycznych, kropla miodu służyła mu za soczewkę. Znał matematykę. Czytał trochę Thomasa Younga, ale że nie znał angielskiego, niezbyt chyba wiele od niego zaczerpnął. Nie będziemy dociekać, ile dokładnie wziął od Younga, w każdym razie posunął się znacznie dalej niż angielski przyrodnik, tworząc matematyczną teorię światła jako fal i sprawdzając ją za pomocą świetnych eksperymentów. Kilka lat później został przyjęty do paryskiej Akademii Nauk. Słabowity przez całe życie, zmarł na gruźlicę w 1827 roku, niedługo po swoich trzydziestych dziewiątych urodzinach – żył więc tak samo długo jak Chopin, Słowacki i Riemann, którzy cierpieli na tę chorobę.

W roku 1818 Fresnel przedstawił matematycznie prawidłową teorię ugięcia światła na nieprzezroczystej półpłaszczyźnie. Podstawą tej teorii jest zasada Huygensa: każdy punkt czoła fali traktujemy jak nowe źródło fal, które rozchodzą się we wszystkich kierunkach. W punkcie obserwacji, np. w jakimś punkcie ekranu, sumują się drgania przychodzące od każdego punktu fali. Łatwo opisać, jak to będzie wyglądać, gdy mamy tylko dwie fale dochodzące do danego punktu. Obserwujemy wówczas sumę drgań (wtedy nie wiedziano, co tam właściwie drga, my dziś wiemy, że są to pola elektryczne oraz magnetyczne).

Drganie można przedstawić jako rzut obracającego się wektora o pewnej długości. Na rysunku wektory te obracają się przeciwnie do wskazówek zegara z prędkością kątową

gdzie jest okresem fali (i drgania w danym punkcie), nazywa się częstością kołową. Złożenie dwóch drgań o takiej samej częstości będzie sumowaniem dwóch obracających się wektorów. Ponieważ oba obracają się tak samo, możemy obrazek unieruchomić i dodawać te wektory tak, jak się dodaje wektory – według reguły równoległoboku albo (dolny rysunek) rysując je jeden za drugim. Wynik będzie taki sam, ale tą drugą techniką możemy dodać tyle wektorów, ile zechcemy.

Widzimy, że wynik dodawania zależy tylko od różnicy fazy między dwoma drganiami.

Rozpatrzmy teraz falę płaską padającą na nieprzezroczystą półpłaszczyznę AB, punkty B, D, E i C współtworzą czoło fali biegnącej z lewej strony z dalekiego źródła. Możemy odpowiadające im drgania zapisać jako strzałki, wszystkie mają tę samą fazę – ustawiliśmy je pionowo.

Rysunek 30.7 z wykładów Feynmana (kto czuje niedosyt, może zajrzeć do podrozdziału 30-6 w t. 1)

Załóżmy, że interesuje nas natężenie światła w pewnym punkcie P. Fala docierająca do tego punktu z E musi przebyć odległość , nieco większą niż odległość ekranu :

Z trójkąta prostokątnego na rysunku i z twierdzenia Pitagorasa, otrzymujemy

Różnice odległości , które mogą być dla nas ważne, są porównywalne z długością fali światła, a więc są znacznie mniejsze niż typowa odległość ekranu, możemy więc pominąć w porównaniu do , otrzymujemy wówczas:

Dodając przyczynki od różnych punktów czoła fali, możemy przyjąć, że amplitudy fal cząstkowych są jednakowe: dodajemy więc wektory tej samej długości. Nie możemy natomiast pominąć faz. Różnica fazy między falą z E i falą z D będzie równa

Zsumowanie nieskończenie wielu fal cząstkowych to obliczenie całki – coś, co Fresnel jako dobry inżynier z początku XIX wieku potrafił. Możemy uzyskać jakościowe wyobrażenie o wyniku, dodając bardzo wiele jednakowych strzałek. Zaczynamy od punktu D leżącego najbliżej punktu obserwacji P. Gdy przesuwamy się wyżej, faza rośnie proporcjonalnie do : w wyniku powstanie spirala zwijająca się od punktu D w prawo i w górę, spirala ta zawija się coraz gęściej wokół pewnego punktu.

(Rysunek 30-8 z wykładów Feynmana)

Podobnie będzie z wektorami z fragmentu naszego czoła fali, będzie im odpowiadać fragment spirali od do . Całkowite drganie odpowiadające punktowi obserwacji dane będzie wektorem na rysunku. Jeśli nasz punkt obserwacji będzie leżał w cieniu, jak na rysunku, dodawać będziemy tylko fale cząstkowe od w górę i nasz wektor wypadkowy będzie miał koniec w punkcie , im dalej w cień, tym bardziej spada natężenie światła. Po jasnej stronie półpłaszczyzny w punkcie : musimy wystartować w na lewym zwoju spirali i zakończyć gdzieś na prawym zwoju, co w rezultacie da wektor w przybliżeniu od lewego centrum spirali do jakiegoś punktu w pobliżu centrum prawego: długość wektora będzie się (niemal) okresowo zmieniać. Kwadrat długości naszego wektora to natężenie światła, czyli to co zwykle rejestrujemy. Obliczony ściśle wynik wygląda następująco:

wikimedia commons, autor: Gisling

Oś y wykresu leży na krawędzi szczeliny, na lewo mamy część „zacienioną”, na prawo – „jasną”, oś x wyskalowana jest w jednostkach (dla żółtego światła o i odległości ekranu będzie to skala w milimetrach. Wahania natężenia widać jako prążki. Tak wygląda granica cienia, jeśli się jej dokładniej przyjrzeć i jeśli fala padająca ma dobrze określoną fazę, np. oświetlamy naszą półpłaszczyznę laserem. Można to zrobić i bez lasera (jak Fresnel w XIX wieku), ale wówczas źródło fal musi być dostatecznie małe.

Elegancka spirala, którą otrzymaliśmy wyżej nazywa się spiralą Cornu. Fresnel obliczył całki, które są tu potrzebne, samo przestawienie graficzne jest późniejsze.

Najłatwiej zastosować tutaj wzór Eulera: nasza płaszczyzna jest wówczas płaszczyzną zespoloną, a dodawanie wektorów jest dodawaniem liczb zespolonych. Napiszmy jeszcze wzór na zespoloną sumę drgań (kwadrat jej modułu to natężenie światła):

to odległość DB. Część rzeczywista i urojona tej liczby wyraża się przez tzw. całki Fresnela, funkcje wprowadzone do nauki i obliczone po raz pierwszy przez naszego uczonego.

Einstein i jednolita teoria pola: zmarnowane trzydzieści lat?

W roku 1915 Einstein przedstawił ostateczną wersję równań pola grawitacyjnego. No, może prawie ostateczną, bo niebawem dopisał jeszcze do nich człon kosmologiczny – z czysto matematycznego punktu widzenia wyraz ten może się tam znaleźć, choć nie musi, z fizycznego punktu widzenia nie było wówczas powodu, by to zrobić (dzięki stałej kosmologicznej mógł zbudować wszechświat, w którym przestrzeń trójwymiarowa nie ma brzegu, odpadał więc problem warunków brzegowych, jego motywy były matematyczno-filozoficzne, znane już wtedy obserwacje Sliphera nie zgadzały się z tym modelem). Taki powód istnieje dziś: obserwacje wskazują, że ekspansja wszechświata przyspiesza i człon kosmologiczny opisuje ten fakt (mówimy dziś o ciemnej energii, ale to tylko nowa nazwa dla starej wielkości).

Droga Einsteina do teorii grawitacji, którą nazywał ogólną teorią względności (OTW, dla odróżnienia od szczególnej STW z roku 1905), była wielce zagmatwana, pełna błędów i fałszywych objawień. Jednak ostateczny wynik – równania pola – są praktycznie jedyne możliwe. Zamiast pola grawitacyjnego mamy w OTW wielkość zwaną tensorem metrycznym, jest to dziesięć funkcji współrzędnych i czasu. Znając je, możemy analizować stosunki przestrzenne i czasowe w danej sytuacji fizycznej, obliczać tory cząstek itp. Mamy 10 równań dla tych 10 funkcji, przy czym tylko sześć równań jest niezależnych, bo układ współrzędnych można sobie dość dowolnie wybierać i matematyka nie może tego za nas rozstrzygać. Równania te nie mogą być inne (z dokładnością do członu kosmologicznego). Sama matematyka narzuca ich postać. Einstein nie wiedział o tym przed odkryciem, dopiero po fakcie zorientował się, że w gruncie rzeczy nie miał wielkiego wyboru. Jego droga była tak zagmatwana, ponieważ nie znał dostatecznie głęboko matematyki, którą się posługiwał. Nie on jeden zresztą: David Hilbert czy Felix Klein, wielcy matematycy z Getyngi, też nad nim nie górowali w owym czasie (choć Hilbert próbował się z nim ścigać i przegrał). Geometria różniczkowa, czyli dział matematyki zajmujący się zakrzywionymi przestrzeniami, zaczęła się szybciej rozwijać w następstwie teorii Einsteina, przedtem była to ezoteryczna dziedzina dla kilku wtajemniczonych, jak np. Tullio Levi Civita, z którym Einstein lubił korespondować podczas I wojny światowej, prosił nawet, by Włoch pisał do niego w ojczystym języku, bo przypominało mu to młodość, gdy często bywał we Włoszech u rodziców.

Einstein wypisujący na tablicy równania OTW w próżni: .

OTW rozwiązywała problem, którego prawie nikt nie stawiał. Owszem, przypuszczano, że stara teoria grawitacji Newtona musi zostać zmodyfikowana. W XIX wieku James Clerk Maxwell połączył całą naukę o elektryczności, magnetyzmie i optyce w jedną teorię. Było to wielkie osiągnięcie i jest nim do dziś: najróżniejsi specjaliści: od energetyki, prądnic, silników elektrycznych, łączności radiowej, kuchenek mikrofalowych, radarów, optyki, światłowodów, elektroniki itd. uczą się swego fachu startując z czterech równań Maxwella. Ogromny obszar zjawisk daje się zrozumieć w jednolity sposób. Jest to nie tylko eleganckie matematycznie, lecz także nadzwyczaj skuteczne w praktyce. Dlatego się mówi, że nie ma nic bardziej praktycznego niż porządna teoria. Otóż po Maxwellu podejrzewano, że także grawitacja powinna zostać zmodyfikowana, że np. pole grawitacyjne nie powinno rozchodzić się momentalnie, lecz ze skończoną prędkością – gdyby Księżyc znikł w danej chwili, to wody oceanów powinny to odczuć z opóźnieniem około sekundy. Ogólnie jednak biorąc, stara teoria Newtona radziła sobie świetnie, astronomowie potrafili z niezwykłą precyzją obliczać ruchy ciał niebieskich, astronomia stała się synonimem precyzyjnej nauki ścisłej aż nudnej w tym przywiązaniu do drobnych efektów, których nikt nie zauważa. Za czasów Einsteina OTW była piękną teorią zjawisk bardzo trudno mierzalnych. Grawitacja jest najsłabszym ze znanych oddziaływań i dlatego trudnym do badań w laboratorium czy bliskim kosmosie. W sumie OTW nie jest bynajmniej nauką o drobnych efektach, choć okazało się to już w bliższych nam czasach, gdy zaczęto obserwować ekstremalne zjawiska w kosmosie i badać czarne dziury.

Einstein zbudował więc grawitacyjny odpowiednik teorii Maxwella. Kiedy w roku 1919 okazało się, że OTW znajduje potwierdzenie w obserwacjach, stał się z jakiegoś kaprysu zbiorowej wyobraźni pierwszym naukowym celebrytą, może tylko Stephen Hawking cieszy się podobną, lecz zapewne mniejszą sławą. Fizycy w tamtych latach zajmowali się głównie zjawiskami atomowymi i kwantowymi. Czynił to także i Einstein, choć jego punkt widzenia różnił się zasadniczo od tego, co wypracowali Bohr, Born, Heisenberg, Dirac i inni twórcy mechaniki kwantowej. Tamtych interesowały przede wszystkim zjawiska atomowe: widma, zachowanie linii widmowych w polu elektrycznym albo magnetycznym, moment magnetyczny atomów itd. Einstein myślał raczej na poziomie ogólnym: pragnął połączyć swoją teorię grawitacji z elektrodynamiką Maxwella. Połączyć w sposób nietrywialny, bo można po prostu złożyć obie teorie „mechanicznie” w jedną. Nie było żadnych eksperymentów, które wskazywałyby, że pole elektromagnetyczne oraz grawitacyjne mają ze sobą cokolwiek wspólnego. Do dziś zresztą nie ma takich danych eksperymentalnych. Einstein sądził, że skoro brak eksperymentów, to tym gorzej dla faktów: on poszuka syntezy obu teorii i tak. Pozostawała mu jedynie droga matematyczna. Można przypuszczać, że wielkie wrażenie zrobił na nim fakt, iż OTW jest określona jednoznacznie przez ogólne założenia matematyczne i fizyczne, bez szczegółowego zagłębiania się w eksperymentalną kuchnię. Gdyby wiedział o tym przed rokiem 1915, znacznie szybciej znalazłby równania OTW.

Einsteina właściwie nie interesowała fizyka, tzn. rozwiązywanie kolejnych szczegółowych problemów. Oczywiście, lubił od czasu do czasu pokazać, jak się to robi, ale konkretne zagadnienia były dla niego przykładami czegoś bardziej ogólnego. Zawsze spoza drzew widział las i właściwie tylko las go naprawdę interesował. Psychiczną przykrość sprawiał mu brak logicznej spójności, dlatego sytuacja, gdy mamy w fizyce kilka różnych teorii, które niewiele ze sobą mają wspólnego, wydawała mu się zupełnie nieznośna. Natura jest jednolita i my powinniśmy zbudować jednolitą jej teorię. Lubił przywoływać Spinozę z jego bezwzględnie obowiązującą przyczynowością, sam był postacią w jakiś sposób siedemnastowieczną – to w epoce Kartezjusza, Spinozy i Leibniza tak mocno wierzono w racjonalny ład świata. Pogląd, że ze zjawiskiem fizycznym mamy do czynienia dopiero wtedy, gdy dokonamy jego pomiaru (takie było stanowisko Bohra), dla Einsteina było naigrawaniem się z racjonalnej wiary, nieomal świętokradztwem. Wszechświat rządzi się swoimi prawami, Księżyc istnieje także wtedy, gdy nikt na niego nie patrzy, a mysz nie zmienia swym spojrzeniem stanu wszechświata. Element subiektywności wprowadzony przez mechanikę kwantową był dla niego nie do przyjęcia. Dlatego mechanikę kwantową traktował jak szczególnie udaną teorię fenomenologiczną, tj. opisującą doświadczenia, ale bez ambicji dotarcia głębiej. Uważał, że prawidłowości statystyczne to nie nauka, lecz w najlepszym razie wstęp do nauki. Kiedy już poznamy te prawidłowości, to należy starać się zrozumieć, skąd się biorą.

Sądził, że musi istnieć teoria bardziej podstawowa, w ramach której wyjaśni się, z jakich cząstek zbudowany jest świat, a nawet czym jest cząstka. Według niego nie powinno być dwóch elementów teorii: cząstek (np. elektronów) oraz pól przez te cząstki wytwarzanych. Wszystko powinno być opisywane jako pola, cząstka to po prostu zlokalizowany obszar szczególnie silnego pola (coś w rodzaju solitonu – ale Einstein nie znał jeszcze tego pojęcia). Miał też nadzieję, że ruch owych cząstek także będzie wynikał z równań pola. OTW jest nieliniowa: suma dwóch rozwiązań nie jest w niej rozwiązaniem. W teoriach nieliniowych dwa ruchome „zgrubienia” pola będą jakoś ze sobą oddziaływać. W ten sposób spodziewał się zrozumieć zjawiska kwantowe. Z jego punktu widzenia trzeba było tylko znaleźć dobry punkt wyjścia. Jednolita teoria pola miała być połączeniem OTW i elektrodynamiki w nietrywialny matematycznie sposób.

Zaczął nad nią pracować niemal od razu po stworzeniu OTW, a w latach dwudziestych zaczął już publikować na ten temat. Sięgał po różne środki, pracowali z nim coraz to inni asystenci, cel pozostawał wciąż niezmienny. Co parę lat Einstein przekonany był, że najnowsza wersja równań jest właśnie tym, czego szuka. Potem zaczynał dostrzegać trudności, wreszcie zarzucał dane podejście. Jak to wyglądało, opisuje Ernst Gabor Straus, który pracował z Einsteinem w latach 1944-1948. Straus został później wybitnym matematykiem, opublikował 21 prac z Paulem Erdösem (co jest swego rodzaju tytułem szlacheckim) i zajmował się wieloma dziedzinami matematyki. Straus zapisywał różne charakterystyczne wypowiedzi Einsteina. „Do naszej pracy konieczne są dwie rzeczy: niezmordowana wytrwałość i gotowość, aby wyrzucić to, na co się poświęciło wiele czasu i pracy”. Sam był dwukrotnie świadkiem takiej sytuacji, za każdym razem Einstein na drugi dzień przychodził i jakby nigdy nic zaczynali pracę od nowa, stosując zupełnie inne podejście.

Einstein pracował nad jednolitą teorią pola aż do śmierci w roku 1955. Kiedy zaczynał, uchodził za największego fizyka świata, wszyscy czekali na jego kolejne prace, kończył jako zupełny outsider, dinozaur z innej epoki. Trzydzieści lat bez wyników. Byłoby to tragiczne, gdyby sam Einstein traktował swą pracę w sposób, by tak rzec romantyczny i ambicjonalny. Nie wierzył on jednak w rzeczy powstające tylko z ambicji. Niewiele znaczyły dla niego różne wyróżnienia. Kiedy dostał Medal Maksa Plancka schował go i nawet nie otworzył pudełeczka, żeby go obejrzeć. Potrafił całymi latami z jednakową koncentracją robić swoje, nie oglądając się na kolegów. Zaczynał działalność naukową jako urzędnik Biura Patentowego i przez wiele lat fizyka była dla niego zajęciem niezwiązanym z zarabianiem pieniędzy. Uważał nawet, że taka sytuacja jest przejrzystsza, bo inaczej człowiek żyje pod presją uzyskiwania wyników, a wyniki przychodzą albo nie. Nie należy drążyć deski w najcieńszym miejscu tylko dlatego, że tak jest najłatwiej.

Starzejący się uczeni często popadają w naukowe dziwactwa. Praca Einsteina nad jednolitą teorią pola nie całkiem pasuje do tego schematu, była raczej konsekwencją jego poglądów niż aberracją. Uczony nie odszedł od zmysłów, potrafił się uczyć (jeśli tylko chciał), nie przestał być twórczy ani nie zapomniał, jak się uprawia naukę.

Z dzisiejszego punktu widzenia jednolita teoria pola była zapewne pomyłką. Fizyka rozwinęła się zupełnie inaczej: najpierw cofnęła się do epoki sprzed teorii względności szczególnej (STW). Równanie Schrödingera z roku 1926 jest nierelatywistyczne. Potem stopniowo nauczono się łączyć STW z mechaniką kwantową – wynikiem jest kwantowa teoria pola. Einstein świadomie ją ignorował, choć za jego życia, mniej więcej w okresie asystentury Strausa, powstała elektrodynamika kwantowa. Już po śmierci Einsteina zbudowano jej uogólnienie – teorię oddziaływań elektrosłabych (tę od bozonu Higgsa). Ostatecznie mamy dziś nie do końca satysfakcjonujący, lecz zgodny z doświadczeniem, Model Standardowy cząstek. Zawiera on mnóstwo parametrów eksperymentalnych i oparty jest na kwantowej teorii pola. Mamy więc połączenie STW i fizyki kwantowej. I mamy też spory impas, ponieważ od czterdziestu lat nie udało się znaleźć teorii bardziej zadowalającej teoretycznie oraz zgodnej z eksperymentem. Może ulepszony LHC pozwoli uzyskać istotnie nowe dane eksperymentalne.

Natomiast OTW nie udało się połączyć z żadną teorią kwantową aż do dziś, mimo różnych cząstkowych osiągnięć. Chyba nikt nie stara się już kontynuować programu jednolitej teorii pola w sensie Einsteina: tzn. zbudowania wspólnej niekwantowej teorii oddziaływań. Wydaje się, że Einstein zaczął nie od tej strony, bo OTW jest marnym punktem wyjścia do badania zjawisk atomowych.

Niepowodzenie Einsteina trzeba widzieć na tle całości. Nauka wbrew pozorom jest bardziej historią niepowodzeń niż sukcesów, tzn. niepowodzenia są chlebem powszednim, sukcesy – świętem. Dzisiejsza fizyka fundamentalna, sześćdziesiąt lat po śmierci Einsteina, wygląda raczej na zagubioną. Ogromny program superstrun, angażujący od paru dziesiątków lat najzdolniejszych teoretyków świata z Edwardem Wittenem na czele (indeks Hirscha 150 i nadal rośnie), ugrzązł zdaje się na dobre, w każdym razie wymierne korzyści przyniósł do tej pory raczej matematyce niż fizyce. Uczeni pracujący w tej dziedzinie powtórzyli podobny błąd co Einstein: dali się uwieść matematyce i wylądowali w tzw. krajobrazie superstrun, w którym udowodnić można wszystko i niczego nie można przewidzieć.

Einstein miał oczywiście nadzieję, że któregoś dnia okaże się, iż w sprawie jednolitej teorii słuszność jest po jego stronie. Z biegiem lat ta nadzieja odsuwała się w coraz dalszą przyszłość. Bardzo niewielu uczonych tak głęboko utożsamiało się z tym, co robi i w co wierzy. Nauka nie była dla niego pracą, lecz sposobem realizacji powołania. Ta sama ścisła przyczynowość, która obowiązywała w jego fizyce, kształtowała także jego wyobrażenia o miejscu człowieka w świecie. Einstein wypowiadał się nieraz, że gdyby wiedział, iż ma umrzeć w ciągu godziny, to wcale by się tym nie przejął, gdyż wierzy w porządek świata, w którym człowiek jest tylko małą cząstką całości, a osobowość czymś w rodzaju złudzenia optycznego. Można mu wierzyć, bo potem rzeczywiście żył z wyrokiem śmierci. Ostatnie siedem lat życia przeżył z dużym zdiagnozowanym tętniakiem aorty brzusznej – nie można było wówczas zrobić operacji, uczony wiedział, że pewnego dnia tętniak pęknie. Kiedy to się stało, nie pozwolił się dręczyć lekarzom, sądził, że lepiej umrzeć, skoro nadszedł czas. Spokojnie porozmawiał z pasierbicą Margot, z synem Hansem Albertem, próbował nawet kontynuować jakieś zaczęte rachunki. Uprzednio zadbał, aby po śmierci jego ciało spalono, a prochy rozrzucono w nieznanym miejscu. Za coś w złym guście uważał pielgrzymki do grobów sławnych ludzi. Piękny przykład, że można obejść się bez magii i bez samozwańczych przedstawicieli Boga na ziemi nawet w obliczu śmierci.

Nie czuł się pokonany ani przegrany. Dwa tygodnie przed śmiercią rozmawiał z nim na różne tematy historyk nauki I.B. Cohen. Wspomina on: „Ogromny kontrast zachodził między jego cichą mową a dudniącym śmiechem. Lubił żartować, za każdym razem, gdy powiedział coś, co mu się podobało, albo usłyszał coś, co do niego przemówiło, wybuchał grzmiącym śmiechem, który odbijał się od ścian”. Jego śmiech wspominało wielu ludzi, którzy go znali. Hedwig Born, żona Maksa, po długich latach niewidzenia pisała do niego: „Chciałabym móc usłyszeć jeszcze raz twój potężny śmiech”.

List Ramanujana (1913)

Godfrey Harold Hardy, znakomity matematyk, Fellow Trinity College w Cambridge, otrzymał na początku 1913 roku list z Indii od pewnego amatora. Był nim Srinivasa Ramanujan, dwudziestopięcioletni urzędnik biurowy z portu Madras bez wykształcenia akademickiego. Autor listu stwierdzał, że w matematyce wytyczył sobie własną ścieżkę i załączał długą listę uzyskanych wyników. Hardy przeglądał tę listę z mieszanymi uczuciami. Widać było, że autor ma spore luki w wykształceniu. W dodatku przedstawił same sformułowania różnych wyników, nic nie pisząc na temat ich dowodów. Kilka wzorów wyglądało na znane albo nietrudne do udowodnienia. Były tam także twierdzenia wyglądające co najmniej dziwnie:

 (*)

Widać też było, że Ramanujan odkrył twierdzenie o rozmieszczeniu liczb pierwszych, co było niemałym osiągnięciem (choć w tym przypadku ważniejsze było przeprowadzenie ścisłego dowodu w 1896 roku). Niektóre wyrażenia, jak ułamek łańcuchowy:

gdzie jest stałą złotego podziału, „były zapewne prawdziwe, bo nikomu nie starczyłoby wyobraźni, aby je zmyślić”. Hardy zrozumiał, że ma do czynienia z pierwszorzędnym matematykiem, na pewno nie z żadnym dziwakiem czy szaleńcem. Ramanujan zwrócił się do niego, ponieważ chciał się poświęcić pracy matematycznej, a był w trudnej sytuacji finansowej, miał na utrzymaniu żonę (w momencie ślubu ona miała dziewięć lat, on – dwadzieścia jeden). W Indiach nie potrafiono ocenić, czy jego praca ma jakąkolwiek wartość. Dzięki staraniom angielskiego matematyka Ramanujan przyjechał do Cambridge.

Od początku było jasne, że jest matematycznym geniuszem, ale też widać było, że nie uda się z niego zrobić matematyka pracującego według normalnych reguł akademickich. Trzeba mu było dopiero wyjaśnić, na czym polega dowód i dlaczego w matematyce liczy się tylko to, co zostało dowiedzione w sposób dostatecznie precyzyjny. Do tej pory jednym z głównych źródeł wiedzy Ramanujana była książka G. S. Carra będąca po prostu spisem 5000 twierdzeń z matematyki elementarnej. Nauczył się później różnych rzeczy, inne sam odkrył, ale w momencie przyjazdu do Anglii był już uformowany jako uczony. Jego wszystkie prace nosiły piętno wysoce indywidualnego stylu, często przedstawiały wyniki bez dowodu.

Dzięki pobytowi w Anglii Ramanujan zyskał bardziej konwencjonalną wiedzę matematyczną, zdobył też uznanie w kręgach akademickich, został przyjęty do Towarzystwa Królewskiego. Nie było mu jednak łatwo. Z początku słabo znał angielski. Był wegetarianinem i sam sobie gotował, w latach pierwszej wojny światowej niełatwo było zdobyć potrzebne mu składniki. Nie potrafił przywyknąć do klimatu, po paru latach poważnie zachorował i wrócił do Indii, gdzie zmarł w wieku trzydziestu dwóch lat.

Publikacje stanowią zaledwie małą cząstkę spuścizny Ramanujana. Większość jego wyników zawarta jest w notatnikach, które zaczęły ukazywać się dopiero po jego śmierci.

Godfrey Hardy oceniał talent Ramanujana na 100, swój własny na 25. Wielki matematyk niemiecki David Hilbert miał w tej skali 80 punktów. Hardy uważał, że w pewnych dziedzinach: w rozumieniu skomplikowanych wyrażeń algebraicznych czy w umiejętności manipulowania szeregami nieskończonymi Ramanujan dorównywał Eulerowi i Jacobiemu. Wypadało tylko żałować, że zbyt długo zdany był na własne siły: samotny nastolatek z Indii odkrył znaczną część tego, co zbiorowym wysiłkiem stworzyli najlepsi matematycy Europy. Nie miał dostępu do porządnej literatury matematycznej, nie znał niemieckiego ani francuskiego – a w tych językach ukazywały się najważniejsze książki XIX wieku. O sile jego oryginalności świadczyć może fakt, że wydawnictwo Springer publikuje czasopismo matematyczne „The Ramanujan Journal”, gdzie ukazują się wyłącznie prace z dziedzin, na które wpływ miał hinduski uczony.

Większość wyników Ramanujana dotyczy funkcji nieelementarnych. Dla przykładu przedstawimy tylko dwa. Wyrażenie stałych oraz jako sumy szeregu nieskończonego i ułamka łańcuchowego:

I jeszcze szereg pozwalający obliczyć liczbę . Opublikowany został w 1914 roku bez dowodu.

Ma on tę zaletę, że każdy następny wyraz daje kolejne osiem cyfr wyniku. W roku 1985 R. William Gosper Jr. obliczył za jego pomocą liczbę z dokładnością ponad 17 milionów cyfr. Wkrótce też Jonathan i Peter Borweinowie udowodnili wzór Ramanujana, przy okazji znaleźli szeregi jeszcze szybciej zbieżne, których każdy wyraz daje kolejne pięćdziesiąt cyfr wyniku.

(*) Ten wzór wyglądający jak majaczenie szaleńca pierwszy uzyskał Leonard Euler w 1735 roku. Można mu nadać sens używając sumowania Abela albo wychodząc poza dziedzinę rzeczywistą i zauważając, że jest to funkcja zeta Riemanna