Jak Max Planck nie dostał Nagrody Nobla (1908)

Pisałem jakiś czas temu, w jaki sposób Max Planck na dwa tygodnie przed końcem XIX stulecia wyprowadził ważny wzór opisujący promieniowanie termiczne (dokładnie: ciała doskonale czarnego). On sam uważał słusznie, iż to jego najważniejsza praca. Dziś patrzymy na nią jako na pierwszą pracę kwantową, a więc wstęp do najważniejszej dziedziny fizyki w XX wieku. Jednak w roku 1908 widziano to zupełnie inaczej i Planck nie otrzymał Nagrody Nobla właśnie z powodu kwantów. Chciano mu ją wówczas przyznać z zupełnie innych powodów, choć za tę samą pracę.

Nagroda Nobla zawsze była do pewnego stopnia wynikiem wewnętrznych zakulisowych dyskusji, a nawet intryg, wśród uczonych szwedzkich. I w sumie dobrze o nich świadczy fakt, że tak rzadko trafiała ona w niepowołane ręce. W roku 1908 ogromny wpływ na nagrody w dziedzinie chemii i fizyki miał Svante Arrhenius, wybitny fizykochemik, który chciał podkreślić wagę istnienia atomów. Nie był to jeszcze wówczas fakt zupełnie bezsporny, choć główna batalia już się rozegrała: w roku 1905 i 1906 Albert Einstein i Marian Smoluchowski opracowali teorię ruchów Browna, a w roku 1908 Jean Perrin przeprowadził już wiele doświadczeń potwierdzających ową teorię (wyznaczając przy okazji liczbę Avogadro). Trudno byłoby podać jakiekolwiek inne wyjaśnienie tego zjawiska. Arrhenius myślał jednak o czym innym, Perrin został nagrodzony dużo później. Ernest Rutherford i Hans Geiger wykazali, że cząstki α emitowane przez niektóre substancje promieniotwórcze mają masę atomu helu i dodatni ładunek dwa razy większy niż ładunek elektronu (ujemny). Wciąż nie bardzo było wiadomo, jak wyglądają atomy, ale fakt, że ładunki cząstek były wielokrotnością ładunku elementarnego, silnie przemawiał za jakąś formą atomizmu. Także z pracy Maksa Plancka wynikała ta sama wartość ładunku elementarnego – była ona zresztą dokładniejsza niż ta wynikająca z pomiarów Rutherforda. Ta sama wartość wynikająca z pomiarów w tak odległych od siebie dziedzinach, jak promieniotwórczość i promieniowanie termiczne, była silnym argumentem za istnieniem ładunku elementarnego (także bezpośrednie pomiary ładunku elektronu dawały mniej więcej to samo).

W jaki sposób z prawa Plancka wynika ładunek elementarny? Do prawa Plancka wchodzą dwie stałe, oznaczane k i h – pierwszą nazywamy dziś stałą Boltzmanna, drugą – stałą Plancka. Otóż Planck pokazał, że stała k to nic innego niż stała gazowa R podzielona przez liczbę Avogadro N:

k=\dfrac{R}{N},

ponieważ stała gazowa była dokładnie znana, można było wyznaczy liczbę Avogadro, czyli najważniejszą stałą atomową. Dla przypomnienia: jest to liczba atomów w gramoatomie, znając N, natychmiast można obliczyć, ile waży który atom. W dodatku jeśli podzielić stałą Faradaya, znaną z elektrolizy, przez N, otrzymuje się wielkość ładunku elementarnego.

Arrhenius musiał przy okazji wykonać trochę logicznej ekwilibrystyki, gdyż chciał, aby nagrodę z chemii dostał Rutherford, a z fizyki jedynie Planck. Pierwsza połowa planu się powiodła, co Rutherford skomentował, że obserwował różne przemiany atomów, ale żadna nie nastąpiła tak szybko jak jego przemiana z fizyka w chemika (statystycznie rzecz biorąc, było wszystko w porządku, bo w poprzednich latach małżonkowie Curie dostali nagrodę z fizyki za głównie chemiczną pracę wyodrębnienia nowych pierwiastków).

Druga połowa planu się nie powiodła. Po pierwsze wysuwano argument, iż praca Plancka byłaby niemożliwa bez dokładnych pomiarów. I była to szczera prawda. Planck znalazł ścisły wzór opisujący bardzo dokładne pomiary kolegów. Najpierw w roku 1899 Ernst Pringsheim i Otto Lummer zauważyli, że promieniowanie obserwowane w podczerwieni odbiega od tzw. prawa Wiena, przez jakiś czas uważanego za ścisłe. Było ono połączeniem pewnego rozumowania ze zgadywaniem, co jest kombinacją wcale w nauce nierzadką.

lummer_prings

Potem, w roku 1900, Heinrich Rubens i Ferdinand Kurlbaum zmierzyli jeszcze wyraźniejsze odstępstwa od prawa Wiena i od tej chwili Planck miał nad czym myśleć.

RubensKurlbaum

Wykres przedstawia natężenie promieniowania w zależności od temperatury przy długości fali 24 μm, a więc daleko w podczerwieni, autorzy przesunęli granicę możliwości aż do 60 μm, co było poważnym osiągnięciem. Linia ciągła to wzór Plancka, kółka to punkty doświadczalne.

Oczywiście wyprowadzenie prawdziwej i fundamentalnej zależności warte jest Nagrody Nobla, choć można się zastanawiać, czy nie powinna ona przypaść także niektórym przynajmniej z eksperymentatorów wykonujących te pomiary.

Pojawił się także drugi argument przeciwko Planckowi, i on ostatecznie przeważył. Wiosną roku 1908 na kongresie matematyków w Rzymie wystąpił Hendrik Antoon Lorentz, najbardziej szanowany fizyk-teoretyk Europy, i wykazał, że ze znanej fizyki nie może wynikać wzór Plancka. Fizyka, dziś nazywana klasyczną, przewiduje bowiem dla promieniowania to, co przedstawia czarna linia na poniższym wykresie.

Black_body

Jest to tzw. prawo Rayleigha-Jeansa, które przewiduje, że ilość promieniowania dla każdej częstości powinna rosnąć proporcjonalnie do temperatury bezwzględnej (na wykresie wyżej widać, że prawo Rayleigha wyraźnie odbiega od danych Rubensa i Kurlbauma). Ponadto przewiduje ono, że im wyższa częstość, tym silniejsze powinno być promieniowanie: każdy piecyk byłby źródłem zabójczego promieniowania rentgenowskiego i gamma, co jest oczywiście bez sensu i otrzymało nazwę katastrofy w nadfiolecie. Lorentz wykazał szczegółowo to, co trzy lata wcześniej napisał Einstein: że z fizyki klasycznej wynika prawo Rayleigha, które jest absurdalne. Einstein jednak dopiero debiutował, Lorentza natomiast usłyszeli wszyscy. Jasne się stało wszem wobec, że druga stała wprowadzona przez Plancka w jakiś tajemny sposób pozwala uniknąć katastrofy w nadfiolecie. Dzieje się tak, ponieważ Planck uznał, że energię należy do celów rachunkowych podzielić na porcje o wielkości h\nu, gdzie \nu jest częstością. W zasadzie Planck traktował to jak pewien wybieg formalny. W sumie jego praca była prawidłowa, ale on sam nie wiedział dlaczego. Jedynie Einstein rozumiał to lepiej, ale choć zaczęto już słuchać, co mówi, nikt nie dawał się jeszcze przekonać. Był urzędnikiem biura patentowego i w tych latach jedynym prawdziwym zwolennikiem teorii kwantowej, zastanawiając się nad kwestiami, które koledzy mieli zrozumieć dopiero za kilka lat.

Na konferencji w Rzymie był także matematyk Gösta Mittag-Leffler, który dowiedział się, że teoria Plancka bynajmniej nie jest pewna, wprowadza bowiem jakieś kwanty energii h\nu. Wrócił z tym do Szwecji i sprawa nagrody dla Maksa Plancka upadła. Otrzymał ją dziesięć lat później właśnie za kwantowanie. A w roku 1908 wygrał kandydat popierany przez Francuzów, Gabriel Lippmann, który wynalazł system fotografii barwnej, pomysłowy, lecz zupełnie niepraktyczny i nigdy na szerszą skalę nie zastosowany. Lippmann był już od dwudziestu lat członkiem Akademii Nauk (do której Maria Skłodowska-Curie nigdy nie weszła) i pozostawił po sobie np. takie zdjęcie papugi.Parrot_photo_made_by_Gabriel_Lippmann_in_1891

Reklamy

Księżyc i Robinson Jeffers

Robinson Jeffers, 1957:
Głęboka Rana

Kiedy zbliżyła się gwiazda, potężny przypływ
Wezbrał pod płynną skorupą Ziemi,
Wciąż narastając, kiedy przechodziła w pobliżu. Gwiazda wydarła z Ziemi
Grzbiet wielkiej fali: Księżyc został wydarty
Z basenu Pacyfiku: ów zimny biały kamień, rozświetlający nasze noce.
Pozostała po nim w Ziemi głęboka rana, Pacyfik,
Ze wszystkimi wyspami i okrętami. Kiedy tu stoję na klifie,
Słyszę rozdzieranie na wpół zastygłego bazaltu i granitu, widzę tego ogromnego ptaka,
Jak usiłuje wzbić się ku swojej gwieździe. Lecz gwiazda odpłynęła,
A Księżyc pozostał, zataczając kręgi nad swoim dawnym domem,
Ciągnąc za sobą przypływy, wynędzniały, samotny.

Matematycy i fizycy
Mają swą własną mitologię; poruszają się równolegle do prawdy,
Nie dotykając jej nigdy; ich równania są fałszywe,
Lecz jednak działają. A kiedy pojawi się rażący błąd,
Wymyślają sobie nowe; porzucając teorię fal
W eterze wypełniającym świat na rzecz zakrzywionej przestrzeni.
Jednak to ich równania zbombardowały Hiroszimę.
Piekielna rzecz zadziałała.

Także poeta ma
Swoją własną mitologię. Opowiada, że Księżyc powstał
Z wód oceanu. Opowiada, że Troja została spalona z powodu zabłąkanej
Pięknej kobiety, a jej twarz wprawiła w ruch tysiąc okrętów.
To niezbyt prawdopodobne, chociaż mogło tak być; jednak kościół i państwo
wspierają się na jeszcze bardziej osobliwych i niemożliwych mitach:
Jak ten, że wszyscy ludzie rodzą się wolni i równi: tylko pomyśl!
I że wędrowny hebrajski poeta o imieniu Jezus
Jest Bogiem całego wszechświata. Tylko pomyśl!

Oryginał angielski i rosyjski przekład

Z poezją Robinsona Jeffersa zetknąłem się dzięki przekładom i komentarzom Czesława Miłosza. Miłosz zafascynowany był autentycznością widzenia i przeżywania świata poety, który spędził większość życia mieszkając w odosobnieniu nad brzegiem Pacyfiku w Big Sur. Widział tam przede wszystkim świat pozaludzki, sceptycznie i nieco wyniośle traktując wojny, które dosłownie i w przenośni toczyła w tym czasie ludzkość. Starał się nie ulegać większości zbiorowych zaślepień. W jakimś sensie Jeffers był poetą religijnym, choć bez Boga – zjawisko chyba nierzadkie u protestantów. Jeffers, podobnie jak np. Ingmar Bergman, wychowywany był przez protestanckiego pastora.
Poezja potrzebuje mitologii. Nieliczne są przykłady wybitnych poetów, którzy nie byliby zanurzeni po czubek głowy w świecie wyłącznie i jedynie ludzkim, w kościele międzyludzkim. Jedną z najcenniejszych wartości nauki jest w moim pojęciu właśnie to, że pozwala wykroczyć poza ograniczenia gatunku, plemienia, stada. Gdyby odwiedzili nas przedstawiciele innej cywilizacji, najłatwiej byłoby się chyba porozumieć w takich kwestiach, jak równania teorii grawitacji Einsteina czy Model Standardowy cząstek, choć może z ich punktu widzenia byłyby to teorie antyczne.
Z wymienionych powodów trudno jest o poezję, która odwołuje się do naukowego obrazu świata. Właściwie od czasów Lukrecjusza niewiele stworzono w tej dziedzinie, a jeśli już coś pisano, to zwykle było to zacne i mierne. Nie dotyczy to z pewnością Jeffersa.
Poeta mówi o możliwości powstania Księżyca, odwołując się, jak sądzę, do teorii powstawania planet Jeansa. Układy planetarne miały powstawać, gdy jakieś dwie gwiazdy znajdą się na tyle blisko siebie, że siły przypływowe odrywają od nich część materii, z której następnie tworzą się planety. Taka koncepcja oznaczała, że powstawanie planet jest rzadkością, Jeans pisał o przypadku takim, jak spotkanie się na pełnym oceanie dwóch statków. Wiemy dziś, że planety powstają dużo częściej i razem z gwiazdami. Więcej, znamy już całe mnóstwo planet, które dawniej były po prostu niemożliwe do wykrycia: bo są ciemne, małe, i zawsze niezwykle blisko oślepiająco jasnej gwiazdy.
Jednak Księżyc rzeczywiście jest częścią Ziemi, oderwaną od zewnętrznych warstw naszej planety przez zderzenie z planetą wielkości Marsa. Pewne szczegóły tego scenariusza opisują Matija Cuk z SETI Institute w Mountain View (Kalifornia) i Sarah Stewart z Harvardu w numerze „Science” z 17 X 2012. Inną możliwość przedstawiła Robin Canup z Southwest Research Institute w Boulder (Kolorado). Byłoby to zderzenie dwóch mniej więcej jednakowych planet. Ilustracja z pracy Canup może stanowić naukowe pendant do wiersza Jeffersa. Księżyc powstałby jakiś czas później z rozproszonej materii, która otacza nowopowstałą Ziemię na ostatnim obrazku.

Nie zgadzam się natomiast z Jeffersem co do fałszywości równań fizyki. Oczywiście nie zawierają one całej prawdy (w tym sensie są „fałszywe”), nie będą jej też nigdy zawierały (a więc są „równoległe”). Jest to jednak najlepsza prawda dostępna nam na Ziemi. I nie wierzę, abyśmy mieli dostęp do jakiejkolwiek innej. Prawda naukowa jest na tyle obiektywna, że moglibyśmy się na jej temat porozumieć z kosmitami, choć zapewne we wszystkich kwestiach nacechowanych kulturowo próby porozumienia kończyłyby się zupełnym fiaskiem.
Co do proroka o imieniu Jezus, zastanawiam się czasem, jakby zareagował, gdyby rzeczywiście pojawił się drugi raz na Ziemi i spotkał dzisiejszych kapłanów swego kultu. Która strona byłaby bardziej wstrząśnięta tym spotkaniem?