Isaac Newton o załamaniu i odbiciu światła (1687)

Prawo załamania światła było pierwszym ścisłym matematycznym prawem fizyki odkrytym w XVII w. (Nieco wcześniejsze prawa spadku swobodnego Galileusza dotyczyły sytuacji mocno wyidealizowanej: ruchu w próżni, której doświadczalnie jeszcze nie potrafiono wytwarzać za życia włoskiego uczonego.) Descartes podał wyjaśnienie prawa załamania oparte na niemożliwej fizyce, której nigdy wystarczająco nie skonkretyzował. Ciekawym pomysłem była zasada minimum Fermata, ale sama ta zasada zawieszona była w metafizyce, bo niby dlaczego przyroda ma się zachowywać w proponowany sposób? Teoria falowa Huygensa zawierała wyjaśnienie prawa załamania, lecz nie zostało ono powszechnie przyjęte (mimo tego że jest prawdziwe). Jak więc wyjaśniano zachowanie promieni światła, a właściwie, jak wyjaśniał te zjawiska największy uczony tego stulecia Isaac Newton?

Newton uważał światło za złożone ze zróżnicowanych cząstek: różnym cząstkom odpowiadało wrażenie różnych barw i miały one nieco różne współczynniki załamania. Uczony starał się nie konkretyzować nadmiernie teorii cząstkowej (korpuskularnej), nie chcąc wykraczać poza wnioski wprost wynikające z doświadczenia. Nie było więc jasne, czy cząstki światła różnią się masą, czy prędkością. Prawo załamania według Newtona wyjaśniały siły działające w wąskim pasie przy granicy dwóch powierzchni. Siły te miały być prostopadłe do powierzchni. Ruch wyglądał, jak na rysunku z Principiów.

GHPIK jest torem cząstki światła, która w obszarze między AR i BI poddana jest siłom skierowanym pionowo do góry. Przedstawimy sytuację językiem dzisiejszej mechaniki, analiza Newtona jest dokładnie równoważna. Siły te wykonują ujemną pracę , w rezultacie zmienia się energia kinetyczna cząstki ( jest masą):

Po przejściu warstwy granicznej cząstka ma nową prędkość . Jednocześnie składowa wzdłuż granicy obu ośrodków nie zmienia się, gdyż żadna siła styczna do powierzchni nie działa. Mamy więc równość

gdzie są kątami miedzy kierunkiem prędkości a normalną do powierzchni. Jest to prawo Snella, widzimy, że prędkości cząstek światła są proporcjonalne do współczynników załamania. Z punktu widzenia Newtona różne ośrodki odpowiadają różnym poziomom energii potencjalnej cząstki.

Oznacza to oczywiście, że promienie nie załamują się w punkcie, lecz zakrzywiają się na pewnym niewielkim obszarze, a następnie biegną prostoliniowo przez ośrodek. Teoria tego rodzaju objaśnia także odbicie oraz całkowite odbicie wewnętrzne, gdy promienie pozostają w gęstszym ośrodku np. w szkle, bo zgodnie z prawem Snella sinus kąta załamania musiałyby być większy od jedności.

Oczywiście, kąt padania równa się kątowo odbicia, jeśli tylko cząstki światła nie doznają oporu poruszając się w ośrodku. Wyjaśnienie Newtona opierało się na prawdziwej mechanice. Trudnością teorii było wyjaśnienie, czemu światło porusza się tak prędko i czemu w danym ośrodku prędkość danego rodzaju światła, np. czerwonego, jest zawsze taka sama. Niewiele jednak wtedy wiedziano na temat prędkości światła, Ole Rømer dopiero niedawno ustalił, że prędkość ta jest skończona wbrew temu, co sądził Descartes. Newton sądził, że obserwowane przez niego ugięcie światła w pobliżu ostrza potwierdza jego teorię: światło zaczyna odchylać się od linii prostej już w pobliżu ciała gęstszego i oddziaływanie to zależy od odległości.

Istotne byłyby więc tu siły działające na odległość – czyli coś, co właśnie Isaac Newton wprowadził do fizyki. Nb. dla przeważającej liczby ówczesnych fizyków idea, że siła może działać tam, gdzie nie ma ciała będącego jej źródłem, poprzez próżnię, była wyjątkowo trudna do przyjęcia. Huygens dziwił się, że Newton poświęcił tyle trudnych rozważań matematycznych idei tak chimerycznej jak grawitacja odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Może nawet grawitacja i jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości, ale skąd się bierze, jakie jest jej fizyczne pochodzenie? Z punktu widzenia tych uczonych Newton zajął się nie tym problemem, co należy.

Jednak w optyce, tak samo jak w mechanice, Newton zwyciężył. Teoretycznie, można by wprawdzie zmierzyć prędkość światła w ośrodku takim jak woda i rozstrzygnąć, czy jest ona razy mniejsza niż w powietrzu (Huygens), czy tyle samo razy większa (Newton)? Zanim nauczono się mierzyć prędkość światła na ziemskich, a nie kosmicznych, dystansach, fizyka falowa zwyciężyła.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Zachodzą też nierówności

Dodając te nierówności stronami, otrzymujemy:

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

Zatem stosunek obu odległości równy jest

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

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

Wielkość, którą mamy zminimalizować, ma postać:

Szukamy ekstremum tej funkcji, przyrównując jej pochodną do zera:

Łatwo spostrzec, patrząc na rysunek, że pierwszy składnik równy jest , a drugi , skąd otrzymujemy prawo Snella.

Matematyczna historia tęczy 2: Christiaan Huygens (1652)

Christiaan Huygens pochodził z wpływowej rodziny blisko związanej z dynastią orańską. Ojciec, Constatijn, był amatorem nauk i sztuk, poetą, kompozytorem, w jego domu w Hadze bywali nie tylko ludzie władzy, ale również tacy goście jak René Descartes czy Rembrandt van Rijn. Najstarszy syn, także Constatijn, został sekretarzem Wilhelma III Orańskiego stadhoudera Niderlandów, a później jako Wilhelm II króla Anglii i Szkocji. Christiaan zamiast kariery wojskowej bądź dyplomatycznej wybrał zainteresowanie naukami ścisłymi. Do tego stopnia, że przy okazji swej pierwszej podróży do Londynu wolał obserwować tranzyt Merkurego przed tarczą Słońca niż koronację Karola II. Naturalne było, że młodzieniec znalazł się pod wpływem Descartes’a, pod koniec życia wspominał:

Pan des Cartes znalazł sposób, aby jego przypuszczenia i fikcje brane były za prawdę. I z tymi, którzy czytali jego Zasady filozofii, działo się coś podobnego co z tymi, którzy czytają romanse – gdy podobają się im i robią na nich takie samo wrażenie jak prawdziwe historie. Nowość kształtu jego małych cząstek i wirów sprawia wielką przyjemność. Zdawało mi się, gdy czytałem księgę jego Zasad po raz pierwszy, że wszystko jest w najlepszym porządku, a kiedy natrafiałem na jakąś trudność, sądziłem, że to moja wina, iż nie pojmuję dobrze jego myśli. Miałem wtedy zaledwie 15 czy 16 lat. Lecz później, odkrywając od czasu do czasu rzeczy jawnie fałszywe oraz inne bardzo mało prawdopodobne, odwróciłem się od złudzeń, w jakich trwałem i w obecnej dobie nie znajduję niemal niczego, co mógłbym uznać za prawdę w całej jego fizyce ani w metafizyce, ani w meteorologii. (…)

Najpiękniejszą rzeczą, którą odkrył w dziedzinie fizyki i może jedyną, w której sprawił się dobrze, jest przyczyna podwójnego łuku tęczy, tzn. określenie ich kątów, czyli pozornych średnic, gdyż co do przyczyny kolorów, to nic nie może być mniej prawdopodobne moim zdaniem. Pisma innych filozofów przed nim były na ten temat żałosne, gdyż nie znali dość geometrii, nie znali prawdziwych praw załamania ani nie posiłkowali się doświadczeniami. To prawda, że wszystko wskazuje na to, że prawa załamania nie są wynalazkiem pana des Cartes’a, gdyż pewne jest, że widział on w rękopisie książkę Snelliusa, którą także ja widziałem; pisze on tam wyraźnie o naturze załamania i dochodzi do reguły, za którą dziękuje Bogu, choć zamiast rozważać sinusy, brał on, co na jedno wychodzi, boki trójkąta i choć mylił się, twierdząc, że promień padający prostopadle na powierzchnię wody, skraca się i dlatego dno naczynia wydaje nam się położone wyżej niż jest w rzeczywistości.

Mimo tej niewielkiej ilości prawdy, jaką znajduję w księdze Zasad pana des Cartes’a, nie przeczę, iż trzeba wiele dowcipu, by stworzyć, tak jak on, cały nowy system i nadać mu ów pozór prawdopodobieństwa, którym zadowala się i w którym znajduje upodobanie niezliczona rzesza ludzi. Można nawet powiedzieć, że podając swoje dogmaty z wielką pewnością siebie i stając się bardzo sławnym autorem tym bardziej pobudził tych, którzy piszą po nim do podjęcia jego spuścizny i usiłowania znalezienia czegoś lepszego. Bo też i nie bez zasługi zyskał on wielką estymę; wystarczy bowiem tego, co napisał i odkrył w przedmiocie geometrii i algebry, by zdobył reputację wielkiego umysłu.

[Dodatek do listu Ch. Huygensa do Pierre’a Bayle’a, 26 II 1693 r., Oeuvres complètes de Christiaan Huygens, La Haye 1905, t. X, p. 403-406]

Rysunek, którym posługiwał się Willebrord Snel van Royen, in. Snellius, wyglądał następująco:

Promień światła biegnie tu z punktu V w gęstszym ośrodku do góry, załamując się w punkcie R. Stosunek odcinków jest stały. Snel wyjaśniał w ten sposób, czemu dno zbiornika z wodą wydaje się leżeć wyżej niż w rzeczywistości i stosował owo wyjaśnienie także do promienia padającego pionowo. Naprawdę efekt podniesienia dna będzie zależeć od kąta, pod którym patrzymy, znowu pojawia się tu kaustyka, różne promienie biegnące z ku powierzchni będą biegły pod różnymi kątami, a po załamaniu będą rozbiegać się pozornie z różnych punktów, kaustyka jest obwiednią rodziny tych promieni biegnących w ośrodku rzadszym.

Christiaana Huygensa czekała wielka kariera naukowa, był może jedynym uczonym, przed którym respekt czuł Isaac Newton, wzorując się na jego książce o zegarze wahadłowym. Wcześniej, pod koniec 1652 r. Christiaan Huygens zajął się badaniem teorii soczewek przy użyciu prawa załamania. Na marginesie tej pracy rozwiązał zagadnienie maksymalnego odchylenia promieni słonecznych w kroplach wody. Jak opisywaliśmy, Descartes uciekł się do metody numerycznej. Huygens pokazał, jak można rozwiązać matematyczny problem maksimum w tym przypadku.

Metoda Huygensa nie jest optymalna, lecz okazała się skuteczna. Przerysowaliśmy jego rysunek z niewielkimi zmianami. Łamana to droga promienia świetlnego. Zamiast wyrażać stosunek sinusów kąta padania i załamania jako stosunek odcinka do promienia okręgu piszemy – wartość współczynnika załamania, a promień okręgu uważamy za jednostkowy. Należy jednak pamiętać, że wciąż traktowano liczby rzeczywiste jako stosunki odcinków, co  zaciemniało zapis.

Szukamy takiego położenia promienia wchodzącego do kropli , żeby kąt był maksymalny. Tym samym łuk ma być maksymalny, a odcinek – minimalny. Spełnione ma być przy tym prawo załamania, co oznacza stały zadany stosunek długości odcinków . Zmienną jest odległość .

Najpierw wyznaczamy długość odcinka za pomocą tw. cosinusów zastosowanego do trójkąta . Otrzymujemy

Następnie korzystamy z tw. o iloczynie siecznych dla siecznych oraz $latex $CBM$ i stąd wyznaczamy długość

Z tw. Talesa dla zielonych równoległych znajdujemy . Szukana odległość . Ostatecznie

Do znalezienia wartości , przy której funkcja osiąga minimum, Huygens stosuje metodę Fermata. Brała się ona z zauważenia, że w ekstremum styczna do krzywej biegnie płasko, tzn. ma nachylenie 0.

Dodając do niewielką wartość , zmienimy wartość funkcji o wielkość mniejszą niż . Sprawdźmy to na przykładzie wielomianu, np. . Obliczamy

Gdy jest bardzo małe . Znaczy to, że blisko ekstremum żądamy, aby

Oprócz trywialnej równości dostajemy także nietrywialną równość

należy sobie wyobrażać, że dzielimy obustronnie przez , zanim jeszcze wartość stanie się równa zeru. Dziś powiedzielibyśmy, że pochodna funkcji ma być równa zeru w ekstremum. Współcześnie mówi się, że pochodna funkcji to liniowa część przyrostu , tzn. ta część, w której występuje w potędze pierwszej. W ekstremum owa część liniowa znika, bo każda przyzwoita funkcja w pobliżu ekstremum wygląda jak parabola w pobliżu wierzchołka. Łatwo można taką metodę uogólnić do ilorazu funkcji, jak w przypadku rozpatrywanym przez Huygensa. Znając wartość można już otrzymać np.

To kąt padania odpowiadający maksymalnemu wychyleniu promienia, czyli tzw. promieniowi Descartes’a. Promień łuku tęczy będzie równy zgodnie z tabelką francuskiego uczonego. Huygens przy okazji rozwiązał także zagadnienie odwrotne, jak znając wielkość tęczy, obliczyć współczynnik załamania. problem wymaga rozwiązania równania trzeciego stopnia.

Matematyczna historia tęczy 1: René Descartes (1629, 1637)

Zaczynam dłuższy cykl poświęcony tęczy w ujęciu matematycznym. Pisałem już trochę o tęczy tutaj i tutaj. Na przykładzie podejścia do tęczy zobaczymy jak zmieniało się rozumienie zjawisk optycznych i jak zmieniała się matematyka stosowana do opisu przyrody. Naukową i mitologiczną prehistorię tęczy, interesującą, ale niezbyt skuteczną poznawczo, odkładamy na inny czas. Od XVII wieku wiemy, że jedną z najlepszych metod zrozumienia świata jest budowanie matematycznych modeli. Rozumiemy tyle, ile potrafimy obliczyć i sprawdzić eksperymentalnie. Matematyka pozwala symbolicznie oswajać świat znacznie skuteczniej niż np. magia czy przesądy (tzw. tradycja), mówiąc skrótowo: zachodnie samoloty i rakiety latają, a nawet kiedy spadają, potrafimy to wyjaśnić w kategoriach racjonalnych.

Zaczynamy od Descartes’a. Pisał o nim Tadeusz Żeleński we wrześniu 1918 r.:

Dzieje życia mieszczą się całkowicie w dziejach jego myśli. Urodził się w La Haye w Turenii, w r. 1596 (ojciec Descartes’a był rajcą parlamentu). Pierwsze nauki odbył świetnie w kolegium jezuitów w La Flèche; w młodych latach zdradzał zamiłowanie do poezji, które zachował i później. W 17 roku dostaje się do Paryża, gdzie prowadzi życie dość rozproszone: zwłaszcza hołduje grze, której — podobnie jak Pascal — rychło ogarnia wszystkie tajniki i kombinacje. Naraz na nowo opanowany żądzą nauki, ginie z oczu towarzyszom zabaw, którzy szukają go po zakątach Paryża, podczas gdy on studiuje prawo w Poitiers. W rok później — ma wówczas lat 21 — porzuca książki i postanawia czytać jedynie w „wielkiej księdze życia”; w tym celu, zaciąga się jako ochotnik do wojska w Holandii, pod ks. Maurycym Nassauskim. Bawiąc w Bredzie, Descartes widzi na ulicy tłum ludzi gromadzący się przed wielkim afiszem wypisanym w języku flamandzkim i prosi sąsiada o wytłumaczenie. Był to osobliwie zawiły problem geometrii oraz wezwanie do rozwiązania go. Nagabnięty przechodzień, którym był przypadkowo uczony matematyk, rektor kolegium w Dordrecht [Isaac Beeckman], przełożył mu treść afisza, zachęcając żartobliwie do rozwiązania. Ku wielkiemu jego zdumieniu, młodzik przyniósł nazajutrz żądaną solucję.

Po upływie dwu lat, René opuszcza Holandię i udaje się do Niemiec, gdzie bierze udział w pierwszych utarczkach wojny trzydziestoletniej. Z początkiem r. 1619, zima zatrzymuje go na granicy Bawarii w Neuburgu (przełomowy ten moment życia opisuje Descartes w drugiej części Rozprawy o metodzie). Tutaj, zamknięty w swojej izdebce, odkrywa, przez zastosowanie algebry do geometrii, zasady matematyki powszechnej, w której, w upojeniu entuzjazmu, widzi klucz do rozwiązania wszystkich sekretów przyrody. Kilka lat jeszcze ciągnie Descartes żołnierską włóczęgę, wciąż nieprzerwanie prowadząc swoje dociekania matematyczne i szukając zbliżenia z wybitnymi uczonymi epoki; rzuciwszy armię, kilka lat znowuż spędza na podróżach, przebiega Włochy, Szwajcarię, gdzie, u stóp Mont-Cenis, czyni swoje obserwacje meteorologiczne. Wreszcie, postanawia w zupełności poświęcić się filozofii, „aby (jak mówi), o ile to w jego mocy, przyczynić się do dobra bliźnich”. W tym celu, uchodząc od paryskiego zgiełku, osiedla się w Holandii, uważając, iż pobyt w tym kraju daje największą swobodę myślom i dociekaniom, zapewniając równocześnie potrzebne dla pracy naukowej dogodności. Tutaj spędza 20 lat na nieprzerwanych badaniach, w których przeważnie zajmuje się matematyką i zjawiskami przyrody; jednakże wśród naukowych doświadczeń wciąż przyświeca mu dążenie do syntezy ogarniającej cały wszechświat. W ciągu tych lat ogłasza Próby filozoficzne (1637), które zawierają Rozprawę o metodzie, a obok niej Geometrię, Rozprawę o meteorach i Dioptrykę: układa słynny Traktat o świecie, który niszczy jednakże na wieść o skazaniu Galileusza; wreszcie Traktat o namiętnościach duszy.

René Descartes był postacią skomplikowaną i pełną sprzeczności. Postulował pojęciową jasność i prostotę, ale jego idee analizowane są od czterystu lat i nadal budzą kontrowersje interpretacyjne. Twierdził, że rozsądek jest najsprawiedliwiej rozdzielony między ludzi i że on sam nie ma żadnych szczególnych zdolności, ale z pasją reagował, kiedy inni dochodzili do podobnych co on rezultatów. Twierdził, że posiada metodę zdobywania wiedzy i że wystarczy ją stosować, by dowiedzieć się rzeczy dotąd nieznanych. Do dziś nie ma jednak żadnej pewnej metody, która by niczym jakaś ulepszona sztuczna inteligencja generowała nową i użyteczną wiedzę. Spędził większość dorosłego życia w Niderlandach, dość często zmieniając miejsce pobytu. Mogło to być związane z ówczesną walką polityczną we Francji i zaangażowaniem uczonego (pisze o tym Harold J. Cook, choć nie wszyscy się zgadzają na tak sensacyjne ujęcie życia naszego bohatera). W każdym razie jego emigracja mogła nie być tylko skutkiem poszukiwania spokoju do pracy. W każdym razie Francuz i katolik Descartes spędził większość dorosłego życia w protestanckich Niderlandach, a wskutek dziwacznej symetrii historycznej Holender  protestant Christiaan Huygens przemieszkał długie lata we Francji, zmuszony stamtąd wrócić po odwołaniu edyktu nantejskiego. Descartes przygotowywał fundamentalny Traktat o świecie, gdy w 1633 r. skazano Galileusza. Jako wierzący katolik, który pielgrzymował do Loreto, był tym wyrokiem rzymskiej inkwizycji wstrząśnięty. Zrozumiał bowiem, że jego poglądy naukowe mogą sprowadzić na niego kłopoty. Wstrzymał się z wydaniem książki, i to na resztę życia. Ostatecznie debiutował w druku po przekroczeniu czterdziestki, w wieku wówczas uważanym za dojrzały. Niejako zastępczo wydał w 1637 r. Rozprawę o metodzie wraz z trzema przykładami na działanie owej metody. Pierwszą z nich była Dioptryka, czyli nauka o załamaniu światła. Podał w niej Descartes po raz pierwszy w druku prawo załamania, nie wiadomo czy odkrył je niezależnie, gdyż znane były w Niderlandach prace Willebrorda Snela i mógł się z nimi spotkać. Niezależnie od priorytetu odkrycia Descartes podał jednak uzasadnienie prawa Snela i zastosował owe prawo do problemu ulepszania teleskopów. Chodziło o aberrację sferyczną. Soczewki szlifowane w zwykły sposób mają powierzchnie sferyczne, które łatwiej uzyskać szlifując taflę szkła na sferycznej podstawie, tak zarabiał na życie Baruch Spinoza, którego tu jeszcze spotkamy. Światło nie ogniskuje się w jednym punkcie, promienie dalsze od osi optycznej przecinają się bliżej soczewki.

 

W istocie mamy tu do czynienia z dość skomplikowaną strukturą i całą powierzchnią złożoną z ognisk, zwaną kaustyką.

Kaustyki znamy wszyscy np. jako odblaski na pofalowanej powierzchni wody – z kierunku, z którego dociera do oka wiele promieni, widzimy jasną linię. Podobne struktury powstają też wskutek odbicia lub załamania w różnych strukturach np. szklankach. Dziś generuje się lepiej albo gorzej kaustyki, aby wywołać efekt oglądania rzeczywistego krajobrazu, np. w grach komputerowych.

Descartes sam nie zajmował się kaustykami, lecz zapoczątkował poszukiwanie powierzchni soczewek wolnych od aberracji sferycznej. Problem okazał się mniej istotny, niż uczony sądził: nawet bowiem, gdy utworzymy soczewkę niesferyczną o odpowiednio dobranym kształcie (co jest technicznie niełatwe), pozostanie problem dyspersji, czyli różnego załamania światła różnej barwy. Ale to zauważył dopiero Newton.

Drugą pracą była Rozprawa o meteorach, traktująca o wszelkich zjawiskach meteorologicznych: chmurach, oparach i wyziewach, naturze soli, wiatrach, śniegu, gradzie, burzach – tym wszystkim, czym zajmował się Arystoteles w swej Meteorologice. Znajduje się tu objaśnienie tęczy, znane Descartes’owi od 1629 r., a teraz opublikowane jako przykład metody. Uczony miał ambicję zastąpienia tekstów scholastycznych w szkołach jezuickich swoim własnym traktatem. 

Najgłośniejszą z trzech rozpraw była Geometria, gdzie pokazał, jak problemy geometryczne mogą być rozwiązywane algebraicznie i vice versa. Chodziło o geometrię analityczną, która tak bardzo wrosła w matematykę, że wydaje się niemal oczywista (niezależnie od Descartes’a podejście takie sformułował Pierre Fermat, który nie znał dobrodziejstw Kartezjuszowej metody, lecz był po prostu świetnym matematykiem). 

Zjawisku tęczy poświęcona została ósma część Rozprawy o meteorach. Descartes z pewnym upodobaniem objaśniał zjawiska na niebie w sposób naturalny, czujemy tu pewną odrazę do przesądów gminu, nawet jeśli są pobożne. Tęcza, która miała tak wielkie znaczenie symboliczne w Piśmie św., okazała się zjawiskiem czysto subiektywnym – każdy z nas widzi własną tęczę. Jak mówią Anglicy: Beauty is in the eye of the beholder. Descartes zauważa, że tęczę dostrzec można nie tylko na niebie, ale i np. w fontannach, ulubionej dekoracji królewskich ogrodów w XVII wieku. Potrzebne są więc promienie słoneczne, krople wody i promienie biegnące do naszego oka. Krople wody są kuliste (co uczony objaśnia w innym miejscu, dziś wiemy, że odpowiada za to napięcie powierzchniowe: pole powierzchni kuli jest minimalne spośród brył o tej samej objętości). Dalej, rozmiary kropel nie mają znaczenia, możemy zatem zrobić sobie jedną dużą kroplę z kulistego flakonu z wodą i na tym przykładzie prowadzić obserwacje. Nie był w tym pierwszy, Teodoryk z Fryburga robił to w XIII wieku, a Libert Froidmont w książce o meteorologii wydanej dziesięć lat wcześniej w Antwerpii wspominał, iż tęczę można uzyskać za pomocą trójkątnego szkła (pryzmatu), a także urynału albo zwykłego baniaka na wino. Descartes nie wspomina nic o swych poprzednikach, mógł o nich nie wiedzieć albo, co bardziej prawdopodobne, sądził, że prawdziwa wiedza zaczyna się dopiero od jego metody. Kiedy Descartes spojrzał na swą gigantyczną kroplę wody pod kątem mniej więcej 42° do kierunku światła słonecznego, dostrzegł czerwony kolor dochodzący z części D.

Kiedy kąt wzrastał, barwa znikała. Przy nieco mniejszym kącie widać było natomiast inne barwy: żółtą, błękitną, po czym barwy zanikały. Podobne zachowanie można było zaobserwować dla kąta 52° i drogi promienia FGHIKE z tą różnicą, że teraz barwa czerwona pojawiała się nagle przy najmniejszym kącie, po czym stopniowo przechodziła w żółtą i błękitną dla kątów większych. Światło było też słabsze niż w pierwszym przypadku. Następnie zadał sobie Descartes pytanie, co sprawia, że część D staje się czerwona? Kiedy zasłaniał czymś nieprzezroczystym część kuli z wodą, okazywało się, że jedynie obszary B i D potrzebne były do wytworzenia zjawiska kolorów. Czemu jednak tylko pod określonym kątem kolory się pojawiały? Tu po raz drugi wkraczał eksperyment, tym razem z pryzmatem.

Światło słoneczne pada tu mniej więcej prostopadle na ściankę NM pryzmatu szklanego, który z drugiej strony ograniczony jest wąską przysłoną DE. Po załamaniu na drugiej ściance pryzmatu światło tworzy pasmo barwne na ekranie HGF, przy czym w okolicy F mamy barwę czerwoną, a w okolicy H barwę niebieską czy też fioletową. Wnioskuje z tego doświadczenia nasz bohater, że powierzchnie nie muszą być zakrzywione, aby wytworzyć barwy. Ponieważ w doświadczeniu zachodzi tylko pojedyncze załamanie i nie ma odbicia, przeto należy wnioskować, że nie odbicie, lecz właśnie załamanie jest przyczyną pojawiania się kolorów tęczy. Ponadto z faktu, że barw takich nie obserwuje się w płaskich płytkach szkła (np. w szybach), należy wnioskować, iż musi być to załamanie nie skompensowane żadnym innym. Dalej: aby widzieć barwy, potrzebujemy światła (antyczne rozróżnienie wciąż się narzucało) i również cienia, czyli „ograniczenia światła” – bo gdy szczelina staje się szeroka lub gdy ją całkiem usuniemy, obraz ma postać białego pasa zabarwionego jedynie przy brzegach. Barwy pojawiają się zatem w obszarze sąsiadującym z cieniem na skutek załamania. Próbując wyjaśnić, dlaczego jeden brzeg obrazu jest fioletowo-niebieski, drugi zaś czerwono-żółty, Kartezjusz przyjmuje, że okrągłe cząstki eteru, które przekazują owo „działanie czy ruch”, jakim jest światło, mogą się obracać. Przy obu brzegach cienia ruch obrotowy nadawany cząstkom materii jest różny. Tam, gdzie obserwuje się barwę czerwoną (tradycyjnie uważaną za najsilniejszą), cząstki „dążą do obracania się z większą siłą niż do poruszania po linii prostej” (chodziło prawdopodobnie o prędkość obrotu większą niż ruchu postępowego, równe prędkości odpowiadałyby toczeniu się), barwie fioletowej (najsłabszej) odpowiada sytuacja odwrotna.

Rysunek z pracy Jeda Z. Buchwalda, Descartes’s Experimental Journey Past the Prism and Through the
Invisible World to the Rainbow, „Annals of Science”, t. 65 (1) (2008), s. 19.

W rozumowaniu tym widać, jak Kartezjusz wyobrażał sobie osiąganie pewnych wyników w nauce za pomocą swej metody. Skoro światło jest tylko skłonnością do ruchu w materii, to nie trzeba mnożyć bytów i osobno szukać objaśnienia barw i światła. Skoro zaś możliwe ruchy są postępowe lub obrotowe, a światło ma rozmaite kierunki rozchodzenia się i barwy, to z konieczności barwy należy wiązać z obrotami.

Przy okazji Kartezjusz obalił rozróżnienie barw pozornych – takich jak barwy tęczy, i barw prawdziwych – takich jak barwy przedmiotów, które istnieją, jak wierzono, nawet w ciemności. U Kartezjusza wszystkie barwy stają się barwami pozornymi: nie tylko więc nie widzimy bezpośrednio samych przedmiotów, lecz jedynie wysyłane przez nie światło, ale również nie widzimy ich barw, lecz jedynie barwę światła wpadającego do naszych oczu.

Jeśli obraz świata wypełnionego mikroskopijnymi kulkami, które wypełniają szczeliny między wszystkimi innymi cząstkami, nie wydaje nam się oczywisty, to tylko dlatego że nie poznaliśmy siły argumentacji uczonego, który dowiódł ponad wszelką wątpliwość, że wszystkie rzeczy składają się z trzech rodzajów niewidzialnych cząstek. Współcześni zrazu także niezbyt uwierzyli Descartes’owi, ale głównie dlatego, iż wierzyli w cztery elementy Arystotelesa albo (znacznie rzadziej) w jakąś swoją odmianę świata korpuskularnego. Wracając do tęczy Descartes poszukał odpowiednika granicy z cieniem w tym zjawisku i znalazł je, jak sądził, w kątach biegu promieni po jednym bądź dwu odbiciach w kropli. Wyobraźmy sobie promień EF biegnący początkowo w odległości FH od środka kropli. Odległość IC promienia załamanego jest 187/250 razy mniejsza niż FH. Łatwo sprawdzić, że to prawo Snela dla współczynnika załamania wody względem powietrza równego 250/187 (wartość ta była prawdopodobnie wynikiem pomiarów Descartes’a).

Problem polega jednak na tym, że promienie biegnące w różnych odległościach FH od środka kropli załamują się pod różnymi kątami i pod różnymi kątami odchylenia wychodzą z kropli po odbiciu. Nie ma tu jednej wartości, która odpowiadałaby owym 42°. W tej sytuacji nasuwało się wyjście inżynierskie (Descartes pewnie często służył swą wiedzą matematyczną przy różnych wojskowych zastosowaniach, były to czasy artylerii i skomplikowanych w kształtach twierdz, gdzie projektowano obszary ostrzału). Tym bardziej, że dysponował prawem załamania. Zestawił więc tabelę kątów odpowiadających różnym odległościom  HK.

Promień kropli wynosi u Descartes’a 10000 części, kąty wyrażone są w stopniach i minutach. Kąt ONP odpowiada wewnętrznemu łukowi tęczy (po jednym odbiciu), kąt SQR łukowi zewnętrznemu (po dwóch odbiciach). W drugiej i trzeciej kolumnie mamy kąty odpowiadające łukom FG i FK z wierzchołkiem w środku kropli. Tabela ta nie prowadzi do oczywistych wniosków, ale można zauważyć, że kąt ONP nie przekracza nigdy 42°, natomiast kąt SQR nie jest w żadnym przypadku mniejszy niż 52°. Potrzeba dalszych obliczeń, bardziej szczegółowych.

Teraz widać dokładniej, że maksymalna wartość kąta ONP równa jest 41°30′, co po dodaniu 17′ promienia kątowego Słońca daje kąt graniczny 41°47. Żaden promień odbity jednokrotnie nie wychodzi pod kątem większym niż ten graniczny. Podobnie dla tęczy zewnętrznej otrzymujemy 51°37′. Wyjaśnia to także, czemu w obszarze między łukami tęczy widzimy obszar ciemny, co zauważył już Aleksander z Afrodyzji, działający na przełomie II i III w.n.e. filozof ze szkoły perypatetyckiej w Atenach. Na wykresie (pierwsze wykresy funkcji pojawiły się w drugiej połowie wieku XVII) widzimy dokładniej zachowanie promieni: mamy dwa ekstrema i w okolicy ekstremów wiele promieni wychodzących pod niemal tym samym kątem. Natężenie światła powinno w pobliżu owych ekstremów dążyć do nieskończoności, ale znów posługujemy się pojęciami z późniejszej epoki, o natężeniach światła zaczęto mówić dopiero w wieku XVIII. Descartes widział tu wiele promieni i sądził, że ma to związek z barwą czerwoną. Nb. jeśli mierzalna wielkość – jak tutaj natężenie światła – rośnie do nieskończoności, to znaczy, że nasza teoria się załamuje. Falowa teoria światła rozmyje te maksima i sprowadzi do skończonych rozmiarów.

Przy okazji Descartes poprawia tych uczonych, którzy sądzili jak Kepler, że kąt łuku tęczy może być równy np. 45°: żeby otrzymać taką wartość, należy przyjąć wyraźnie odmienną wartość współczynnika załamania wody, co przeczy obserwacjom. „Najmocniejsza” barwa czerwona występuje na granicy ciemni Aleksandra w obu tęczach, co Descartes łączył z wynikami obserwacji pryzmatycznych i co jest nieprawdą, podobnie jak te roje kulistych cząstek wypełniające świat. 

Można się zastanawiać, jak z perspektywy czasu będzie wyglądać nasza dzisiejsza wiedza na różne tematy. Zapewne także okaże się pomieszaniem piramidalnych błędów (kulki wypełniające wszechświat) z przebłyskami rzetelnej wiedzy (tu zastosowanie prawa Snela). 

Zestawienie danych do tabelek Descartes’a nie wydawało się w tamtej epoce rzeczą prostą. Baruch Spinoza poświęcił całą osobną pracę na zrozumienie, jak zbudować owe tabelki. Descartes podał tylko, że kąt ONP jest równy 180°+kąt FG-2 kąty FK. Spinoza (w pracy przetłumaczonej na polski w antologii Empiryczne podstawy o obrzeża filozofii XVII wieku, Wydawnictwo UMK, Toruń 2014) zmaga się m.in. z problemem, jak z danej odległości CI otrzymać kąt FCK i robi to dziwaczną okrężną drogą, podczas gdy wystarczą tablice sinusów. Dla przyszłych matematyków zarysował się tu problem, jak obliczyć położenia ekstremów, dziś wystarczy obliczyć pochodną i przyrównać ją do zera. Problem rozwiązał jednak Christiaan Huygens, zanim jeszcze „oficjalnie” powstał rachunek różniczkowy, o czym napiszę w kolejnej części.

Dla porządku spójrzmy jeszcze, jak obliczyć kąt wyjścia promieni po jednym załamaniu.

Odległość . Z prawa załamania otrzymujemy Dla dwukrotnego odbicia otrzymamy kąt .

 

 

 

 

René Descartes i jego sny (10/11 listopada 1619)

Powtarzam wpis z lipca 2016, bo dość aktualny, a także dlatego, że napiszę wkrótce o tym, jak Descartes odkrył, skąd się bierze zjawisko tęczy.

Ludzie, a także i całe społeczeństwa robią sobie czasem wakacje od rozumu i popełniają błędy, mimo iż wiedzą, że postępują źle i nierozsądnie. Przedkładają jednak chwilowe upojenie bliskością innych, podobnie czujących, nad ustawiczny wysiłek chłodnego namysłu. Nie pomagają wówczas żadne argumenty ani statystyki. Na ekspertów patrzy się jak na błaznów bądź płatnych zdrajców. Ludzi mądrych uważa się za głupców albo sklerotyków. Największe głupstwa, a nawet szaleństwa prowadzące do zbrodni, zaczynały się wśród powszechnego entuzjazmu. Pod koniec czerwca 1914 roku serbski nacjonalista zastrzelił arcyksięcia Franciszka Ferdynanda i jego żonę Zofię. Uchroniło to być może Puszczę Białowieską przed wytrzebieniem zwierzyny (arcyksiążę był fanatykiem myślistwa), lecz incydent ten uruchomił międzynarodowe domino: wszyscy wszystkim zaczęli stawiać jakieś ultymatywne żądania i wypowiadać wojnę. Latem 1914 roku w całej Europie żegnano na dworcach kolejowych radosnych młodzieńców udających się na krótką – tak się wszystkim zdawało – męską przygodę wojenną. Jesienią roku 1918 wracało ich o siedemnaście milionów mniej i nikt się już nie cieszył: ani zwycięzcy, ani pokonani. W roku 1933 entuzjazm milionów Niemców zagłuszył wszelkie wątpliwości i skrupuły, jakie powinien wzbudzić sposób rządzenia nazistów, jak i sama osoba ich paranoicznego Führera. Cierpieli zresztą „jedynie” Żydzi, komuniści, homoseksualiści i liberałowie – nie było się więc czym przejmować. Dumny naród niemiecki mógł wreszcie wziąć odwet na pogardzanej Europie. Nastrój udzielał się zresztą wszystkim, nawet w biednej, słabej i pełnej analfabetów Polsce wykrzykiwano, że nie oddamy ani guzika – i też bijano Żydów, bo byli bezbronni.
Być może znowu wchodzimy w okres „historii spuszczonej z łańcucha” i tańca na wulkanie. Ostatecznie okresy spokoju i choćby względnego dostatku nigdy nie były dniem powszednim historii, częstsze były plagi, wojny, choroby, zamieszki i głód. Niektórzy próbowali wśród powszechnego zamętu robić coś pożytecznego. Na przełomie roku 1916 i 1917 przebywający na froncie wschodnim astronom Karl Schwarzschild napisał dwie niezmiernie ważne prace na temat Einsteinowskiej teorii grawitacji. Rozwiązanie Schwarzschilda dotyczyło pola grawitacyjnego sferycznej masy, np. gwiazdy. Ani Einstein, ani Schwarzschild, który kilka miesięcy później umarł, nie rozumieli wówczas, jak wielkie znaczenie ma owo rozwiązanie – opisuje ono bowiem czarną dziurę, jeden z najosobliwszych obiektów w przyrodzie. Młody lekarz Tadeusz Żeleński, zajmował się w roku 1917 przekładaniem Kartezjusza na polski, starając się zaszczepić rodakom coś z francuskiej klarowności myślenia i prostej elegancji stylu.

Nie zapomnę tego wrażenia… Było to rok temu, w lecie, z początkiem czwartego roku wojny. Siedziałem w mojej izdebce dyżurnego lekarza wojskowej stacji opatrunkowej, i korzystając z chwilowej bezczynności, pracowałem nad pierwszymi rozdziałami tej książki. Tuż prawie pod oknami ochoczo rżnęła orkiestra, odprowadzając kilka marszkompanii, jadących, w ślicznych nowych butach, na „włoski front”. Na fali trywialnej melodii, myśl Descartes’a pędziła wartko, skocznie, radośnie, tak iż ledwo piórem mogłem jej nadążyć. Doznawałem szczególnego uczucia. Nigdy nie mam zbyt mocnego przeświadczenia o rzeczywistości zewnętrznego świata – w tej chwili miałem go mniej niż kiedykolwiek…

Rozprawa o metodzie ukazała się wraz z końcem wojny, pod opaską: „Tylko dla dorosłych”. Był to żarcik tłumacza, który chciał w ten sposób dotrzeć do niefilozoficznych czytelników. Rozmyślania swe Kartezjusz rozpoczął w roku 1619, podczas zupełnie innej wojny. Także i tamta wojna rozpoczęła się od zdarzenia dość małej wagi: oto z zamku na Hradczanach w Pradze rozeźleni protestanci wyrzucili przez okno dwóch przedstawicieli cesarza, którzy nie chcieli się zgodzić na budowanie kościołów, mimo że formalnie zagwarantowana była swoboda wyznania. Nieszczęśni wysłannicy przeżyli upadek z wysokości kilkunastu metrów – wedle katolików stało się to dzięki aniołom, które działając w czasie rzeczywistym, złagodziły skutki grawitacji, natomiast nieokrzesani protestanci przypisywali ten efekt kupie gnijących odpadków, nagromadzonych pod oknami wielkiej sali jadalnej zamku. Wojna nie zakończyła się żadnym miękkim lądowaniem, toczyła się przez trzydzieści lat, pustosząc znaczną część środkowej Europy. W zasadzie było to starcie dwóch głównych odmian chrześcijaństwa walczących o to, która z nich bliższa jest nauce Jezusa Chrystusa: czy katolicy przechowujący tradycję, w której niezmienność święcie wierzyli, czy protestanci, starający się samodzielnie zgłębiać tekst Pisma św. i odrzucający takie magiczne atrybuty religii, jak święte obrazy, relikwie, czy kult świętych. Kiedy obie strony wierzą niezachwianie we własne racje, tylko wyczerpanie zasobów może położyć kres konfliktowi.
O początkach swoich rozmyślań pisał Kartezjusz następująco:

Byłem wówczas w Niemczech, dokąd powołały mnie wojny, które ciągną się tam jeszcze. Kiedy wracałem z koronacji cesarza [Ferdynanda II we Frankfurcie we wrześniu 1619 r.] do armii, początek zimy zatrzymał mnie na kwaterze, gdzie, nie znajdując żadnego towarzystwa, które by mi odpowiadało, i nie mając zresztą, na szczęście, trosk ani namiętności, które by mnie mąciły, siedziałem przez cały dzień zamknięty sam w ciepłej izbie, za jedyną rozrywkę zabawiając się z własnymi myślami. Jedną z pierwszych myśli było spostrzeżenie, że często dzieła złożone z rozmaitych części i wykonane ręką rozmaitych mistrzów mniej są doskonałe niż te, nad którymi pracował tylko jeden człowiek. Tak widzimy, że budowle, które jeden architekt podjął i wykonał, są zazwyczaj piękniejsze i lepiej rozmieszczone niż te, które wielu ludzi starało się skleić, posługując się starymi murami zbudowanymi w innych celach. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Kartezjuszowi marzyła się więc nauka będąca dziełem jednego autora, jak poemat albo dzieło historyczne. Po części wynikało to chyba z jego temperamentu, trochę może ze swoistej wielkopańskiej wyniosłości w sferze intelektu – nie dopuszczał bowiem myśli, by ktokolwiek inny mógł dokonać czegoś ważnego w obszarze, który jego samego zajmował. Dlatego np. lekceważył dokonania Galileusza na polu mechaniki ani nie uważał za stosowne wspomnieć o tym, co zawdzięczał Willebrordowi Snellowi (prawo załamania światła) albo Isaakowi Beeckmanowi. Francis Bacon wyobrażał sobie naukę jako wielkie biuro patentowe użytecznych wynalazków, Kartezjusz sądził, że liczą się wybitne jednostki i ich myśli, a więc raczej konstrukcja niż detale. Znalazł naśladowców, pycha filozofów tworzących systemy osłabnąć miała dopiero w XX wieku. Podział na naukę i humanistykę przebiega zresztą do dziś w tym samym miejscu: jeśli ważniejszy jest indywidualny styl autora niż to, co mówi, i jeśli może on wybierać z tradycji dowolne elementy, które samodzielnie interpretuje, to mamy do czynienia z humanistyką. W nauce rządzą znacznie surowsze reguły: musimy znać ściśle określony kanon uznanej wiedzy (zazwyczaj z drugiej ręki), liczą się natomiast bezosobowe dokonania, dowód matematyczny czy eksperyment geniusza powtórzyć może każdy wykształcony specjalista i stanowi to wręcz warunek, aby praca była akceptowalna. Zapewne dlatego w nauce tak zażarcie toczą się spory o priorytet: inne cechy indywidualne roztapiają się w podręcznikach i z czasem coraz trudniej odróżnić wkład konkretnych uczonych. Kartezjusz miał nadzieję połączyć oba rodzaje działalności i stworzyć gmach wiedzy, którego żaden sceptycyzm nie mógłby zburzyć. Prawda jest tylko jedna, zatem i jej odkrywca w zasadzie musi być jeden, inni skazani są na pisanie gloss i uzupełnień.
W listopadzie 1619 roku dwudziestotrzyletni uczony kwaterował w Neuburgu. Był żołnierzem zaciężnym księcia Bawarii, nie bardzo mu zależało na wygranej jednej albo drugiej strony, przedtem służył w Holandii. Czekano na cieplejszą porę roku, by na nowo podjąć działania zbrojne.
Na kwaterze unikał rozmów i pijatyk, którym oddawali się jego kompani, mało wychodził, całymi dniami rozmyślał nad nową podstawą wiedzy. Nie stworzył jej od razu, zapamiętał jednak i zapisał trzy sny, jakie miał w nocy z 10 na 11 listopada 1619 roku. Zarys racjonalnej filozofii objawił się więc w sposób zgoła nieracjonalny, uczony wierzył, że sny mogą być zsyłane przez Boga albo demony, to Stwórca w ostatecznym rachunku miał gwarantować, że wszystko to, co tu widzimy i przeżywamy nie jest tylko jakimś uporczywym sennym majakiem.
W pierwszym śnie pojawiły się jakieś zjawy tak straszne, że zmuszony był kroczyć mocno przechylony na lewą stronę, gdyż z prawej strony czuł niezmierną słabość. Zawstydzony sytuacją, młodzieniec spróbował się wyprostować, wtedy jednak zawiał potężny wiatr w formie wiru i okręcił go kilkakroć na lewej nodze. Na swej drodze spostrzegł kolegium (może La Flèche, gdzie się uczył?) i zapragnął się w nim schronić. Miał zamiar dotrzeć do kościoła, aby się pomodlić. Minął znajomą osobę, lecz jej nie pozdrowił; kiedy chciał naprawić ten lapsus, nie mógł się cofnąć, ponieważ znowu zaczął wiać silny wiatr w kierunku kościoła. Spotkał też innego znajomego, który przekazał mu dla pana N. zamorski owoc, przypominający melona. Wszyscy inni widziani we śnie poruszali się i zachowywali normalnie, jedynie on jeden doświadczał trudności w utrzymaniu równowagi. Niebawem się ocknął i spostrzegł, że leży na lewym boku. Sądząc, że sen może być dziełem złego demona, uczony obrócił się na prawy bok i jął się modlić, pamiętając, iż w oczach Boga winny jest wielu grzechów, które popełniał w skrytości, tak aby ludzie ich nie widzieli. Po mniej więcej dwóch godzinach rozmyślań nad dobrem i złem zasnął znowu. We śnie usłyszał wielki huk, który wziął za grzmot pioruna. Natychmiast obudził się ze strachu i dostrzegł mrowie drobnych iskierek ognia wypełniających pokój. Zdarzało mu się już wcześniej doświadczać takiego zjawiska, teraz jednak zdecydowany był zaobserwować jego przyczyny i zamykając oraz otwierając oczy, śledził swoje wrażenia. Filozoficzny namysł rozproszył lęk i uczony zasnął po raz trzeci. Tym razem nie było się czego bać. Znalazł na stole książkę, o której nie pamiętał, by ją wcześniej tam położył. Otworzył ją, stwierdzając zaś, że to słownik, ucieszył się, ponieważ książka mogła się przydać. W tej samej chwili odkrył też obok inną książkę, także dla niego nową, nie mając pojęcia, skąd się wzięła. Była to antologia Corpus poetarum, otwarła mu się na wierszu zawierającym słowa: Quod vitae sectabor iter? (Jaką drogę życia wybiorę?). W tej samej chwili spostrzegł nieznanego mu męża, który wręczył mu, zachwalając jako znakomity, wiersz zaczynający się od słów Est et Non (Tak i nie). Zaczęli rozmawiać o tym wierszu, w którym Kartezjusz rozpoznał jedną z idylli Auzoniusza. Po chwili książki i dziwny interlokutor rozpłynęli się, a uczony, wciąż się nie budząc, uznał, że śni; ów słownik oznacza wszelką wiedzę zgromadzoną w jednym miejscu, antologia poezji, Corpus poetarum zaś – filozofię oraz mądrość złączone w jedno.

Wierzył bowiem, że wcale nie należy się dziwić, iż poeci, nawet bawiąc się płochymi rzeczami, wypowiadają wiele zdań poważniejszych, bardziej sensownych i lepiej wyrażonych niż to, co mówią filozofowie. Przypisywał to boskiemu natchnieniu oraz sile wyobraźni, która wydobywa zarodki mądrości (zawarte w umyśle każdego człowieka niczym iskry w krzemieniu) z większą łatwością i błyskotliwiej, niż czyni to rozum filozofów.

Rozmyślał też (ciągle we śnie) nad słowami Quod vitae sectabor iter? Po czym zbudził się, nie przestając się zastanawiać nad symboliką swoich snów. Sen trzeci, przechodzący w jawę, zapowiadać miał życie filozofa, który przezwycięży pokusy płynące z różnych stron. Nazajutrz filozof modlił się gorąco do Boga, by zechciał mu odsłonić swoją wolę, oświecić go i prowadzić w poszukiwaniu prawdy. Potem zwrócił się do Matki Bożej, polecając jej tę sprawę, najważniejszą w swym życiu, złożył też ślub, że przy okazji podróży do Italii, którą planował w najbliższym czasie, odbędzie pielgrzymkę do Loreto. Później zobowiązał się nawet, że od Wenecji odbędzie tę pielgrzymkę pieszo. Religijno-filozoficzny entuzjazm po kilku dniach opadł. Ostatecznie filozof nie wybrał się tej zimy do Italii.
Nie znaczy to bynajmniej, że kiedy później ochłonął, przestał wierzyć w natchnienie płynące z owych snów. Epizod ten odegrał, jak się zdaje, ważną rolę w duchowym rozwoju Kartezjusza, choć trudno treść owych snów powiązać z jakimiś uchwytnymi etapami jego poglądów. Najprawdopodobniej rzecz dotyczy pewnych głębszych skojarzeń, poetyckiej strony filozofii, dopiero później umiał ją wyrazić w terminach jasnych, jak sądził, dla każdego człowieka obdarzonego rozsądkiem.

Wziąwszy pod rozwagę, iż zasady tych nauk winny być wszystkie zaczerpnięte z filozofii, w której nie znajdowałem jeszcze pewnych podstaw, pomyślałem, iż trzeba mi przede wszystkim starać się ustalić takowe, i że – wobec tego, iż jest to rzecz najważniejsza w świecie i w której najbardziej należało się obawiać pośpiechu i uprzedzenia – nie powinienem podejmować dzieła tego wprzódy, aż osiągnę wiek o wiele dojrzalszy niż dwadzieścia trzy lat, które wówczas liczyłem, i aż zużyję wiele czasu na przygotowanie się do tych zadań, tak wykorzeniając z umysłu wszystkie błędne mniemania, jakie przyjąłem weń przed tym czasem, jak też gromadząc rozmaite doświadczenia, aby zbierać materię dla moich rozumowań i ćwicząc się ciągle w metodzie, jaką obrałem, aby umocnić się w niej coraz więcej. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Jeśli wierzyć wspomnieniom filozofa, rozpoczął on wtedy swego rodzaju eksperyment poznawczy, traktując życie i jego przypadki jako spektakl odbywający się na jego oczach i dostarczający materiału do przyszłej pracy filozoficznej. Ustalił sobie na okres przejściowy pewne reguły postępowania, ponieważ nie można zanegować wszystkiego jednocześnie. Sceptyczny po to, aby się ze sceptycyzmu raz na zawsze wydobyć, traktował te lata wędrówki jak prolog.

Upewniwszy się w ten sposób co do tych zasad i odłożywszy je na stronę wraz z prawdami wiary, które zawsze były na pierwszym miejscu w moich wierzeniach, osądziłem, iż, co do reszty mniemań, mogę swobodnie przystąpić do ich uprzątnięcia. Otóż, spodziewałem się lepiej z tym uporać, obcując z ludźmi, niż pozostając dłużej zamknięty w komorze, gdzie począłem wszystkie te myśli: zima tedy jeszcze niezupełnie dobiegła końca, a ja już puściłem się w drogę. I przez całe następne dziewięć lat czyniłem nie co innego, jak tylko tłukłem się tu i tam po świecie, starając się być raczej widzem niż aktorem we wszystkich komediach, jakie się na nim odgrywa. Rozważając w każdym przedmiocie szczególnie to, co mogłoby go uczynić podejrzanym i dać nam sposobność do omyłki, wykorzeniałem równocześnie z mego umysłu wszystkie błędy, jakie mogły się weń wprzódy wśliznąć. Nie iżbym w tym naśladował sceptyków, którzy wątpią, aby wątpić, i lubują się zawsze w niezdecydowaniu; przeciwnie, cały mój zamiar dążył tylko ku temu, aby się upewnić. Odrzucałem ruchomą ziemię i piasek, aby natrafić na skałę lub glinę. Udawało mi się to, jak sądzę, dość dobrze, ile że, starając się odkryć fałszywość lub niepewność twierdzeń, jakie rozpatrywałem, nie za pomocą słabych przypuszczeń, ale za pomocą jasnych i pewnych rozumowań, nie spotykałem wśród nich tak wątpliwego, z którego bym nie wyciągnął jakiejś dość pewnej konkluzji, choćby tej właśnie, iż nie zawiera ono nic pewnego. I jako burząc stare domostwo, zachowuje się zazwyczaj gruz, aby się nim posłużyć ku zbudowaniu nowego, tak niwecząc wszystkie mniemania, które osądziłem jako źle ugruntowane, czyniłem rozmaite spostrzeżenia i nabywałem mnogich doświadczeń, które posłużyły mi później ku zbudowaniu pewniejszych. Co więcej, ćwiczyłem się wciąż w metodzie, jaką sobie przepisałem; poza tym bowiem, iż starałem się na ogół prowadzić wszystkie moje myśli wedle reguł, zachowywałem sobie, od czasu do czasu, kilka godzin, które obracałem osobliwie na ćwiczenie się w trudnościach matematycznych lub nawet także w niektórych innych, które mogłem niejako upodobnić do matematycznych, odłączając je od zasad wszystkich nauk, które mi się nie zdawały dość pewne, jako ujrzycie, iż uczyniłem w wielu wyłożonych w tymże tomie. I tak, nie żyjąc na pozór w inny sposób niż ci, którzy, nie mając innego zadania, jak tylko pędzić życie lube a niewinne, starają się oddzielić przyjemności od błędów, i którzy, aby się cieszyć swoim wczasem nie nudząc się, zażywają wszystkich godziwych rozrywek, nie zaniedbywałem statecznego posuwania się w moim zamiarze i zapuszczania się w poznanie prawdy, być może więcej, niż gdybym był tylko czytał książki lub obcował z uczonymi. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Niewiele wiemy o tych fascynujących Wanderjahre filozofa. Rok po nocy snów uczestniczył w oblężeniu i zdobyciu Pragi. Nie jest jasne, jaki był jego osobisty udział w walkach, ważnych dla losów Czech, wtedy to bowiem, w bitwie na Białej Górze, czescy protestanci ponieśli sromotną klęskę, która przesądziła o rządach Habsburgów na kilka wieków. Przywódcy powstania przeciw cesarzowi zostali ścięci, a ich głowy zatknięte na moście przez wiele lat stanowiły przestrogę dla potencjalnych buntowników. Palatyn reński, Fryderyk V, „zimowy król” Czech, uciekł, zabierając jedynie trochę klejnotów. Parę lat wcześniej na uroczystościach jego zaślubin z Anną Stuart odegrano Burzę Williama Shakespeare’a. Pochłonięty mocarstwowymi rojeniami młodzik, nie zwrócił zapewne żadnej uwagi na słowa Prospera:

Aktorzy moi, jak ci powiedziałem,
Były to duchy; na moje rozkazy
Na wiatr się lekki wszystkie rozpłynęły.
Jak bezpodstawna widzeń tych budowa,
Jasne pałace i wieże w chmur wieńcu,
Święte kościoły, wielka ziemi kula,
Tak wszystko kiedyś na nic się rozpłynie,
Jednego pyłku na ślad nie zostawi,
Jak moich duchów powietrzne zjawisko.
Sen i my z jednych złożeni pierwiastków;
Żywot nasz krótki w sen jest owinięty. —

René Descartes (Kartezjusz), tęcza i uczeni jezuici (1637)

Dopóki jeszcze wolno, powtarzam swój dawny wpis na temat tęczy.

Pisze się często z uznaniem o uczonych jezuitach, zwłaszcza w XVII wieku, bo w następnym stuleciu zakon zaczął chylić się ku upadkowi i w końcu uległ kasacie papieskiej. Nauka stanowiła jakąś cząstkę szerokiej działalności pedagogicznej ojców i rzeczywiście, niektórzy z nich zasłużyli się różnymi odkryciami: np. plam słonecznych czy dyfrakcji światła. Dopóty, dopóki chodziło o badania czysto eksperymentalne albo obserwacyjne, ich osiągnięcia były niewątpliwe. Gorzej było z interpretacją wyników: ojcowie obowiązani byli trzymać się Arystotelesa, który był beznadziejnie przestarzały. W latach trzydziestych wieku XVII wieku doszedł jeszcze jeden kłopot: nie wolno im było głosić także kopernikanizmu. Skazanie Galileusza wpłynęło zastraszająco na wielu uczonych, również poza Italią. Taki zresztą był zamiar papieża Urbana VIII, który ubrdał sobie, że ruch Ziemi podważa prawdy wiary (w jakimś sensie miał zresztą rację: jedynie kosmologia geocentryczna wydaje się logiczna z religijnego punktu widzenia).
René Descartes, dawny uczeń jezuitów w La Flèche, wolał przezornie zamieszkać w Holandii. Wierzący katolik, spędził resztę życia na emigracji w krajach protestanckich. Nie opublikował też swego pierwszego dzieła Świat albo traktat o świetle, obawiając się, że jest zbyt kopernikańskie. Zadebiutował w druku dopiero w 1637 roku jako filozof, matematyk, a także fizyk. W tej ostatniej dziedzinie z jego śmiałych teorii, obejmujących właściwie cały wszechświat, ocalało ostatecznie jedynie wyjaśnienie zjawiska tęczy, podane w rozprawie Les météores.
Mimo zainteresowania tym zjawiskiem, ustalono niezbyt wiele. Jak pisał uczony jezuita, Jean Leurechon: „Jeśli mnie zapytacie o sposób wytwarzania, układ i formę tych kolorów [tęczy], to odpowiem, iż pochodzą one z odbicia oraz załamania światła, i to wszystko. Platon dobrze powiedział, że Iryda jest córą podziwu, a nie objaśnienia (…) wszyscy bowiem filozofowie i matematycy, którzy przez tak wiele lat zajmowali się poszukiwaniem i wyjaśnianiem ich przyczyn, a także spekulacjami, dowiedzieli się tylko, iż nic nie wiedzą i że dostępne są im jedynie pozory prawdy”. Ojciec Leurechon trochę przesadzał, ale czynił to w zbożnym i wychowawczym celu. Galileusz rozprawiający o ruchu Ziemi w Rzymie też wydawał się tamtejszym monsignorom nieledwie bezczelny: cóż on mógł wiedzieć o dekretach Stwórcy i urządzeniu wszechświata! Uczonym przystoi pokora.
Wiemy, że książkę Leurechona czytał Descartes i zapewne postanowił wykazać, że można jednak coś ustalić na temat świata i nie musimy w kółko powtarzać frazesów o własnej niewiedzy.
Powstawanie dwóch łuków tęczy przedstawia rysunek. Wewnętrzny łuk powstaje wskutek jednokrotnego odbicia światła wewnątrz kropli wody, zewnętrzny – wskutek dwukrotnego odbicia. W przypadku łuku wewnętrznego promień biegnie do oka obserwatora po drodze ABCDE, w przypadku łuku zewnętrznego biegnie po drodze FGHIKE.

Tęcza nie jest żadnym realnym obiektem, ale każdy z nas widzi niejako własną tęczę, która przemieszcza się wraz z obserwatorem, jeśli tylko w powietrzu znajdują się w odpowiednim miejscu krople wody. Łuk wewnętrzny tworzy kąt 42º z kierunkiem promieni słonecznych, łuk zewnętrzny – kąt 52º. Descartes wyjaśnił, skąd biorą się oba kąty. Trudność polegała na tym, że promienie wpadające do kropli pod różnymi kątami wychodzą z niej także pod różnymi kątami. Nie od razu widać, co wyróżnia te dwie wartości: 42º oraz 52º.

Kąt między promieniem Słońca a promieniem biegnącym po jednokrotnym odbiciu równy jest

Kąty oraz związane są prawem załamania. Descartes ułożył tabelkę liczbowych wartości kątów odchylenia dla promienia odbitego raz i dwa razy. My przedstawimy to za pomocą wykresu.

Wykres interaktywny

Wewnętrzny łuk tęczy odpowiada maksymalnemu kątowi około 42º. W okolicy maksimum wykres funkcji staje się płaski, a to oznacza, iż znaczna część promieni będzie biegła w zbliżonym kierunku. W rezultacie dotrze do nas najwięcej promieni z okolic 42º. Łuk tęczy powinien mieć zewnętrzną krawędź ostrzejszą, a wewnętrzną bardziej rozmytą. Dla zewnętrznego łuku tęczy (powstającego przez dwukrotne odbicie) będzie na odwrót: minimalny kąt równa się ok. 51º i należy się spodziewać, że z tego kierunku dobiegać będzie najwięcej promieni. Pomiędzy tymi dwoma łukami niebo powinno być ciemniejsze. Tak więc kąty obserwowane w zjawisku tęczy odpowiadają ekstremalnym odchyleniom promienia od kierunku początkowego.

W wyjaśnieniu Descartes’a pojawił się ilościowy aspekt zjawiska: jeśli natężenie światła z pewnego kierunku będzie zbyt małe, nie będziemy nic widzieć. Trochę promieni biegnie pod niemal każdym kątem, ale liczą się tylko te kierunki, w których biegnie dużo promieni. Tęcza nie ma wyraźnych granic zewnętrznych, gdybyśmy mogli rejestrować słabsze światło, oba pasy byłyby szersze. W czasach Descartes’a dzięki teleskopowi zrozumiano już, że nie zawsze widzimy światło dobiegające do naszych oczu: jego natężenie musi przekroczyć pewną progową wartość.

Zdjęcie: Laurie Kosonen

Wyjaśnienie tęczy podane przez Descartes’a było na tyle nowatorskie, że wielu uczonych nadal próbowało rozwiązać ten problem, nie dostrzegając, iż został już rozwiązany. To wcale nierzadka sytuacja, po teorii względności zaczęły się np. pojawiać prace, w których usiłowano inaczej rozwiązać problemy postawione przez Einsteina. Descartes przesłał swoją pracę o tęczy do ojca Étienne’a Noëla, jezuity, który uczył go niegdyś i z którym korespondował. Miał nadzieję, że jego rozprawa stanie się podręcznikiem używanym w kolegiach jezuickich. Stało się inaczej, nie doczekał się żadnej reakcji. Kilku innych uczonych zajmowało się później zagadnieniem tęczy tak, jakby nie istniała praca Descartes’a, m.in. teolog z Louvain, Libert Froidmont, który nie widział potrzeby uwzględnienia rozwiązania Descartes’a, gdy kilkakrotnie w późniejszym czasie wznawiał własną książkę na ten sam temat. Przyczyną niechęci Froidmonta i jezuitów mogło być to, co najmocniej przemawia do nas dzisiaj: poddanie zjawisk przyrody matematycznej konieczności. Bo jeśli światem rządzą matematyczne konieczności, to niepotrzebny staje się Stwórca. Descartes wcale tak zresztą nie myślał, ale inni zarzucali mu szerzenie bezbożnictwa naukowego. Isaac Newton, biblijny fundamentalista, z tego właśnie powodu zwalczał poglądy Descartes’a (jezuitów też zresztą nie cierpiał). Musiał w tym celu wymyślić własną wersję Boga-Ojca, który samorządnie i samowładnie realizuje swe matematyczne dekrety i obecny jest w każdym punkcie przestrzeni. Do Newtona należało wyjaśnienie kolorów tęczy: różne barwy mają rozmaity współczynnik załamania, toteż łuki różnych barw widzimy w nieco innych miejscach. Także Newton zastąpił numeryczną analizę Descartes’a twierdzeniem o ekstremum funkcji, matematyka była już znacznie bardziej zaawansowana.

Po czym poznaje się wielkiego uczonego: Galileusz i inni na temat spadku swobodnego (pierwsza połowa XVII wieku)

Prawdziwa wielkość w nauce jest równie rzadka jak w sztuce czy literaturze. Tylko nieliczni zmieniają nasz sposób widzenia świata w taki sposób, że nie da się tego cofnąć ani zapomnieć. Galileusz odkrył paraboliczny kształt krzywej balistycznej. Co więcej, potrafił zrozumieć, skąd się ten kształt bierze i umieścić tę kwestię w nowym systemie pojęć. Jak ważny był kontekst tego odkrycia, świadczyć mogą słowa Isaaca Newtona. W 1687 r.  w Matematycznych zasadach filozofii przyrody formułuje on „Aksjomaty, czyli prawa ruchu”:

Prawo I Każde ciało pozostaje w swym stanie spoczynku lub ruchu jednostajnego po linii prostej, dopóki siły przyłożone nie zmuszą go do zmiany tego stanu.
Prawo II Zmiana ruchu jest proporcjonalna do przyłożonej siły poruszającej i następuje w kierunku prostej, wzdłuż której siła ta jest przyłożona.

Są to oczywiście zasady dynamiki, których naucza się po dziś dzień (nie przytaczamy treści III prawa, ponieważ nie będzie nam tu potrzebne). Ciekawy jest komentarz angielskiego uczonego (urodzonego w roku śmierci Galileusza) do tych praw zamieszczony w dalszym ciągu tekstu:

Zasady, które przyjmuję, zaakceptowane są przez matematyków i potwierdzone przez wielorakie eksperymenty. Za pomocą dwóch pierwszych praw Galileusz stwierdził, że spadek ciał ciężkich zachodzi w proporcji do kwadratu czasu, a ruch ciał wystrzelonych przebiega po paraboli, jak potwierdza to eksperyment, jeśli uwzględnić fakt, że ruchy te są nieco opóźniane przez opór powietrza. Gdy ciało spada, stała siła grawitacji, działając jednakowo w poszczególnych jednakowych odcinkach czasu, nadaje ciału jednakowe wartości siły i generuje jednakowe prędkości; a w całym czasie nadaje całkowitą siłę i generuje całkowitą prędkość proporcjonalną do czasu. A odległości przebywane w odcinkach czasu są proporcjonalne do prędkości i czasów jednocześnie, tzn. są jak kwadraty czasów. (…) A kiedy ciało zostanie wystrzelone wzdłuż dowolnej linii prostej, jego ruch nadany w chwili początkowej składa się z ruchem wynikającym z grawitacji.

Ostatnie zdanie ilustruje rysunek: położenie wypadkowe ciała jest sumą wektorów , czyli prostoliniowego ruchu nadanego w chwili wystrzału, oraz spadku swobodnego . Zapisywanie ruchów za pomocą wzorów algebraicznych i pojęcie wektora są późniejsze niż Newton. Algebry zaczął używać w tym kontekście dopiero Leonhard Euler, a wektory to osiągnięcie późniego wieku XIX.

Newton nie był zbyt dobrze poinformowany historycznie, z książek Galileusza znał tylko Dialog o dwóch układach świata, w 1687 r. nie było wątpliwości, jak przebiega ruch kuli armatniej albo spadającego swobodnie ciała, jeśli pominąć opór powietrza. Newton zajmował się już innymi problemami, takimi jak wpływ oporu powietrza na tor wystrzelonego ciała albo ciłą ciężkości zmieniającą się od punktu do punktu. Z jego perspektywy dwa pierwsze prawa były właściwie oczywiste i jak widzimy wcale sobie do nich nie rościł pierwszeństwa, przypisując je, do pewnego stopnia błędnie, Galileuszowi.

Do jakiego miejsca dotarł rzeczywiście Galileusz? Otóż sądził, że bez oporu powietrza rzut jest złożeniem jednostajnego ruchu poziomego i pionowego spadku. Bez problemu opisywał rzut poziomy, przypadek rzutu ukośnego, taki jak na rysunku, opisali już inni. Spadek swobodny nie był dla niego skutkiem siły grawitacji, w ogóle u Galileusza nie znajdziemy dynamiki, lecz tylko kinematykę ruchów. Z jakiegoś powodu ruch poziomy jest jednostajny, o ile nic mu nie przeszkadza. Natomiast spadek swobodny przebiega w ten sposób, że prędkość chwilowa jest proporcjonalna do czasu. Widzimy, że Newton przypisał mu swoje własne prawa i swoje rozumienie sytuacji fizycznej. Z pewnością nieświadomie, ponieważ raczej nie był nadmiernie skłonny do dzielenia się chwałą z innymi, po prostu nie wiedział, jak wyglądała historia. Przypominał w tym dzisiejszych uczonych, którzy, zainteresowani rozwiązywaniem stojących przed nimi problemów, niezbyt interesują się meandrami historii.

Zasługą Galileusza było odrzucenie obowiązującej wówczas fizyki arystotelesowskiej. Spostrzegł on, że bez oporu powietrza ruchy ciał stają się prostsze. Musimy pamiętać, że dopiero po jego śmierci nauczono się wytwarzać próżnię, za życia Galileusza odkrycie praw ruchu (kinematycznych) oznaczało postawienie na głowie całej nauki, która przecież powinna zajmować się „prawdziwymi” ruchami i „prawdziwymi przyczynami” zjawisk. Zamiast tego Galileusz proponował teorię matematyczną, która stosuje się ściśle tylko do świata, jakiego nie ma. Była to, co się zowie, księżycowa teoria – na Księżycu zresztą byłoby ją najłatwiej testować, bo nie ma tam atmosfery. Teoria ta nic nie mówiła na temat przyczyn takich ruchów. Zresztą dynamika Newtona też wiele nie wyjaśniała: wprowadziła pojęcie siły, lecz siła była abstraktem matematycznym, który można wprawdzie badać ilościowo, ale nic o nim w gruncie rzeczy nie wiemy. Był to kolejny krok w budowaniu świata platońsko-pitagorejskiego, gdzie abstrakcyjna matematyka przydaje się w praktycznej pracy inżyniera, stąd wszystkie politechniki wymagają od studentów pewnej wiedzy matematycznej.

Galileusz nie był pewien, jakie jest najprostsze matematycznie prawo spadku swobodnego (sądził, że właśnie najprostsze prawo powinno obowiązywać w przyrodzie). Wahał się między prędkością proporcjonalną do czasu i prędkością proporcjonalną do drogi. Ostatecznie wybrał pierwszą ewentualność. Że nie był to wybór łatwy, świadczą jego wahania utrwalone w różnych tekstach, a także reakcja innych uczonych na prace Galileusza. Wielu z nich nie potrafiło się zgodzić na prędkość proporcjonalną do czasu. Jezuici, którzy z urzędu musieli demonstrować swą niechęć do heretyka nawet w sprawach dalekich od kopernikanizmu, optowali za różnymi dziwacznymi wersjami prawa swobodnego spadku. Drogi w kolejnych jednostkach czasu miały być np. w proporcjach 1:2:3:4… albo 1:2:4:8… Prędkość miała rosnąć proporcjonalnie do drogi albo skokowo w czasie. Niewiele lepiej wyglądało to wśród zwolenników, którzy także chętnie „poprawiali” Galileuszowe prawo spadku. Eksperymenty także nie wkazywały jednoznacznie, bo spadek swobodny zachodzi szybko, a nie potrafiono mierzyć czasów tak krótkich. Ponadto opór powietrza zniekształcał wyniki. Wielkość Galileusza jako uczonego przejawia się m.in. w tym, że umiał w warunkach niepewności eksperymentalnej i trudności pojęciowych wybrać właściwe rozwiązanie. Jest w tym lekkość i poczucie smaku, intuicja i długie przemyślenia. Galileusz jest wielkim uczonym także dlatego, że nie stworzył wszechogarniającego systemu, skoncentrował się na zagadnieniach, o których mógł coś powiedzieć, czasem spekulował, ale nie rościł sobie prawa do wiedzy absolutnej. Tylko ignoranci i Kościół katolicki znają wszystkie odpowiedzi. Galileusz ich nie znał. Nie wiedział np., czy wszechświat jest skończony, a jeśli tak, to gdzie leży jego środek. Wiedział, że nie jest nim Ziemia, już prędzej Słońce, ale też niekoniecznie. Jest pewna ironia w fakcie, że skazano go za głoszenie tez, które on sam uważał za nieprawdziwe. Nie chodziło jednak o to, kto ma rację, ale o to, kto ma władzę.

Teksty Galileusza i innych ówczesnych uczonych pokazują, jak wiele trudności pojęciowych musieli oni pokonać. Np. co to jest prędkość chwilowa (nie bardzo można ją zmierzyć). Galileusz posługiwał się następującym rysunkiem.

Linia AB oznacza czas. Linie poziome są prędkościami. AG i równoległe do niego odcinki odpowiadają ruchowi jednostajnemu. AIE to linia ograniczająca odcinki prędkości chwilowej rosnącej proporcjonalnie do czasu. Uczony dowodził, że suma jednakowych odcinków GA=FB jest taka sama, jak suma odcinków rosnących z czasem. Wobec czego można cały ruch przyspieszony zastąpić ruchem jednostajnym o prędkości równej połowie prędkości końcowej. Inaczej mówiąc prostokąt GABF jest równoważny trójkątowi AEB. Galileusz nie zrobił kroku, który nam wydaje się oczywisty, i nie utożsamił drogi przebywanej w obu ruchach z polem odpowiednich figur. Mówił o sumach odcinków. Iloczyn prędkości i czasu nie miał dla niego żadnego sensu, ponieważ chodzi o wielkości fundamentalnie różne. My przedstawilibyśmy to tak.

 

W drugiej połowie wieku XVII stało się jasne, że procedurę taką można uogólnić. Pole pod wykresem prędkości to droga i można ją zapisać jako całkę. Z kolei pochodna drogi po czasie daje prędkość chwilową. To podstawowa para operacji w rachunku różniczkowym i całkowym.

 

Gdyby prędkość była proporcjonalna do drogi, mielibyśmy do czynienia z wykładniczym wzrostem, jest to funkcja opisująca eksplozję (np. demograficzną albo jądrową)

Prędkość opisana jest taką samą funkcją (bo pochodna funkcji wykładniczej jest też funkcją wykładniczą).

Z obu tych wykresów widać, że funkcja taka niezbt nadaje się do opisania ruchu, który zaczyna się w określonej chwili bez żadnej prędkości początkowej, ponieważ nigdy nie jest równa zeru. Spadek od do dowolnego punktu musiałby trwać nieskończenie długo. Zatem prędkość w spadku nie może być proporcjonalna do drogi, bo przeczy to elementarnej wiedzy na temat spadku ciał. Oczywiście, można by spekulować, czy spadek nie może się od razu zaczynać z prędkością różną od zera. Rozwiązanie przyjęte przez Galileusza też było kontrowersyjne w oczach jego współczesnych: wymagało bowiem, aby ciało na początku poruszało się przez chwilę z dowolnie bliską zeru prędkością. Przywodziło to na myśl od razu paradoksy Zenona z Elei przeciwko ruchowi. Wiemy jednak, że spadające ciało się porusza, choć chwilę przedtem spoczywało. Eppur si muove.

Intuicja Galileusza pozwoliła mu też pozbyć się balastu niepotrzebnych pytań dodatkowych: o przyczyny spadku, o opór powietrza itd. Nauka rozwija się zawsze przez pracę nad konkretnymi zagadnieniami i trzeba umieć oddzielić to, czego nie da się w danym momencie rozstrzygnąć albo co nie ma znaczenia. Pouczająca jest tu reakcja Kartezjusza na dzieło Galileusza. Francuski filozof, młodszy o trzydzieści lat, z dużą pewnością siebie odrzucił rozwiązanie Galileusza. Zarzucił mu, że buduje bez podstaw, nie wiedząc nawet, skąd bierze się ciężar ciała (Kartezjusz był pewien, że to skutek popychania ciała przez niewidzialne cząstki materii subtelnej!). Jako dobry matematyk i do tego znacznie później urodzony stwierdził, że pod względem matematycznym praca florentyńczyka jest raczej słaba, jego dowody zaś niezbyt eleganckie. Zarzuty były do pewnego stopnia uzasadnione, ale to toskański uczony miał rację, o tyle, o ile można mieć w nauce rację: jego teoria zgodna była z eksperymentem i pozwalała pójść dalej.

Sny Kartezjusza (10/11 listopada 1619)

Z okazji czterechsetlecia snów Kartezjusz pozwalam sobie powtórzyć wpis sprzed ponad trzech lat.

Ludzie, a także i całe społeczeństwa robią sobie czasem wakacje od rozumu i popełniają błędy, mimo iż wiedzą, że postępują źle i nierozsądnie. Przedkładają jednak chwilowe upojenie bliskością innych, podobnie czujących, nad ustawiczny wysiłek chłodnego namysłu. Nie pomagają wówczas żadne argumenty ani statystyki. Na ekspertów patrzy się jak na błaznów bądź płatnych zdrajców. Ludzi mądrych uważa się za głupców albo sklerotyków. Największe głupstwa, a nawet szaleństwa prowadzące do zbrodni, zaczynały się wśród powszechnego entuzjazmu. Pod koniec czerwca 1914 roku serbski nacjonalista zastrzelił arcyksięcia Franciszka Ferdynanda i jego żonę Zofię. Uchroniło to być może Puszczę Białowieską przed wytrzebieniem zwierzyny (arcyksiążę był fanatykiem myślistwa), lecz incydent ten uruchomił międzynarodowe domino: wszyscy wszystkim zaczęli stawiać jakieś ultymatywne żądania i wypowiadać wojnę. Latem 1914 roku w całej Europie żegnano na dworcach kolejowych radosnych młodzieńców udających się na krótką – tak się wszystkim zdawało – męską przygodę wojenną.

 

Jesienią roku 1918 wracało ich o siedemnaście milionów mniej i nikt się już nie cieszył: ani zwycięzcy, ani pokonani. W roku 1933 entuzjazm milionów Niemców zagłuszył wszelkie wątpliwości i skrupuły, jakie powinien wzbudzić sposób rządzenia nazistów, jak i sama osoba ich paranoicznego Führera. Cierpieli zresztą „jedynie” Żydzi, komuniści, homoseksualiści i liberałowie – nie było się więc czym przejmować. Dumny naród niemiecki mógł wreszcie wziąć odwet na pogardzanej Europie. Nastrój udzielał się zresztą wszystkim, nawet w biednej, słabej i pełnej analfabetów Polsce wykrzykiwano, że nie oddamy ani guzika – i też bijano Żydów, bo byli bezbronni.

Być może znowu wchodzimy w okres „historii spuszczonej z łańcucha” i tańca na wulkanie. Ostatecznie okresy spokoju i choćby względnego dostatku nigdy nie były dniem powszednim historii, częstsze były plagi, wojny, choroby, zamieszki i głód. Niektórzy próbowali wśród powszechnego zamętu robić coś pożytecznego. Na przełomie roku 1916 i 1917 przebywający na froncie wschodnim astronom Karl Schwarzschild napisał dwie niezmiernie ważne prace na temat Einsteinowskiej teorii grawitacji. Rozwiązanie Schwarzschilda dotyczyło pola grawitacyjnego sferycznej masy, np. gwiazdy. Ani Einstein, ani Schwarzschild, który kilka miesięcy później umarł, nie rozumieli wówczas, jak wielkie znaczenie ma owo rozwiązanie – opisuje ono bowiem czarną dziurę, jeden z najosobliwszych obiektów w przyrodzie. Młody lekarz Tadeusz Żeleński, zajmował się w roku 1917 przekładaniem Kartezjusza na polski, starając się zaszczepić rodakom coś z francuskiej klarowności myślenia i prostej elegancji stylu.

 

Nie zapomnę tego wrażenia… Było to rok temu, w lecie, z początkiem czwartego roku wojny. Siedziałem w mojej izdebce dyżurnego lekarza wojskowej stacji opatrunkowej, i korzystając z chwilowej bezczynności, pracowałem nad pierwszymi rozdziałami tej książki. Tuż prawie pod oknami ochoczo rżnęła orkiestra, odprowadzając kilka marszkompanii, jadących, w ślicznych nowych butach, na „włoski front”. Na fali trywialnej melodii, myśl Descartes’a pędziła wartko, skocznie, radośnie, tak iż ledwo piórem mogłem jej nadążyć. Doznawałem szczególnego uczucia. Nigdy nie mam zbyt mocnego przeświadczenia o rzeczywistości zewnętrznego świata – w tej chwili miałem go mniej niż kiedykolwiek…

Rozprawa o metodzie ukazała się wraz z końcem wojny, pod opaską: „Tylko dla dorosłych”. Był to żarcik tłumacza, który chciał w ten sposób dotrzeć do niefilozoficznych czytelników. Rozmyślania swe Kartezjusz rozpoczął w roku 1619, podczas zupełnie innej wojny. Także i tamta wojna rozpoczęła się od zdarzenia dość małej wagi: oto z zamku na Hradczanach w Pradze rozeźleni protestanci wyrzucili przez okno dwóch przedstawicieli cesarza, którzy nie chcieli się zgodzić na budowanie kościołów, mimo że formalnie zagwarantowana była swoboda wyznania. Nieszczęśni wysłannicy przeżyli upadek z wysokości kilkunastu metrów – wedle katolików stało się to dzięki aniołom, które działając w czasie rzeczywistym, złagodziły skutki grawitacji, natomiast nieokrzesani protestanci przypisywali ten efekt kupie gnijących odpadków, nagromadzonych pod oknami wielkiej sali jadalnej zamku. Wojna nie zakończyła się żadnym miękkim lądowaniem, toczyła się przez trzydzieści lat, pustosząc znaczną część środkowej Europy. W zasadzie było to starcie dwóch głównych odmian chrześcijaństwa walczących o to, która z nich bliższa jest nauce Jezusa Chrystusa: czy katolicy przechowujący tradycję, w której niezmienność święcie wierzyli, czy protestanci, starający się samodzielnie zgłębiać tekst Pisma św. i odrzucający takie magiczne atrybuty religii, jak święte obrazy, relikwie, czy kult świętych. Kiedy obie strony wierzą niezachwianie we własne racje, tylko wyczerpanie zasobów może położyć kres konfliktowi. O początkach swoich rozmyślań pisał Kartezjusz następująco:

Byłem wówczas w Niemczech, dokąd powołały mnie wojny, które ciągną się tam jeszcze. Kiedy wracałem z koronacji cesarza [Ferdynanda II we Frankfurcie we wrześniu 1619 r.] do armii, początek zimy zatrzymał mnie na kwaterze, gdzie, nie znajdując żadnego towarzystwa, które by mi odpowiadało, i nie mając zresztą, na szczęście, trosk ani namiętności, które by mnie mąciły, siedziałem przez cały dzień zamknięty sam w ciepłej izbie, za jedyną rozrywkę zabawiając się z własnymi myślami. Jedną z pierwszych myśli było spostrzeżenie, że często dzieła złożone z rozmaitych części i wykonane ręką rozmaitych mistrzów mniej są doskonałe niż te, nad którymi pracował tylko jeden człowiek. Tak widzimy, że budowle, które jeden architekt podjął i wykonał, są zazwyczaj piękniejsze i lepiej rozmieszczone niż te, które wielu ludzi starało się skleić, posługując się starymi murami zbudowanymi w innych celach. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Kartezjuszowi marzyła się więc nauka będąca dziełem jednego autora, jak poemat albo dzieło historyczne. Po części wynikało to chyba z jego temperamentu, trochę może ze swoistej wielkopańskiej wyniosłości w sferze intelektu – nie dopuszczał bowiem myśli, by ktokolwiek inny mógł dokonać czegoś ważnego w obszarze, który jego samego zajmował. Dlatego np. lekceważył dokonania Galileusza na polu mechaniki ani nie uważał za stosowne wspomnieć o tym, co zawdzięczał Willebrordowi Snellowi (prawo załamania światła) albo Isaakowi Beeckmanowi. Francis Bacon wyobrażał sobie naukę jako wielkie biuro patentowe użytecznych wynalazków, Kartezjusz sądził, że liczą się wybitne jednostki i ich myśli, a więc raczej konstrukcja niż detale. Znalazł naśladowców, pycha filozofów tworzących systemy osłabnąć miała dopiero w XX wieku. Podział na naukę i humanistykę przebiega zresztą do dziś w tym samym miejscu: jeśli ważniejszy jest indywidualny styl autora niż to, co mówi, i jeśli może on wybierać z tradycji dowolne elementy, które samodzielnie interpretuje, to mamy do czynienia z humanistyką. W nauce rządzą znacznie surowsze reguły: musimy znać ściśle określony kanon uznanej wiedzy (zazwyczaj z drugiej ręki), liczą się natomiast bezosobowe dokonania, dowód matematyczny czy eksperyment geniusza powtórzyć może każdy wykształcony specjalista i stanowi to wręcz warunek, aby praca była akceptowalna. Zapewne dlatego w nauce tak zażarcie toczą się spory o priorytet: inne cechy indywidualne roztapiają się w podręcznikach i z czasem coraz trudniej odróżnić wkład konkretnych uczonych. Kartezjusz miał nadzieję połączyć oba rodzaje działalności i stworzyć gmach wiedzy, którego żaden sceptycyzm nie mógłby zburzyć. Prawda jest tylko jedna, zatem i jej odkrywca w zasadzie musi być jeden, inni skazani są na pisanie gloss i uzupełnień. W listopadzie 1619 roku dwudziestotrzyletni uczony kwaterował w Neuburgu. Był żołnierzem zaciężnym księcia Bawarii, nie bardzo mu zależało na wygranej jednej albo drugiej strony, przedtem służył w Holandii. Czekano na cieplejszą porę roku, by na nowo podjąć działania zbrojne.

Na kwaterze unikał rozmów i pijatyk, którym oddawali się jego kompani, mało wychodził, całymi dniami rozmyślał nad nową podstawą wiedzy. Nie stworzył jej od razu, zapamiętał jednak i zapisał trzy sny, jakie miał w nocy z 10 na 11 listopada 1619 roku. Zarys racjonalnej filozofii objawił się więc w sposób zgoła nieracjonalny, uczony wierzył, że sny mogą być zsyłane przez Boga albo demony, to Stwórca w ostatecznym rachunku miał gwarantować, że wszystko to, co tu widzimy i przeżywamy nie jest tylko jakimś uporczywym sennym majakiem. W pierwszym śnie pojawiły się jakieś zjawy tak straszne, że zmuszony był kroczyć mocno przechylony na lewą stronę, gdyż z prawej strony czuł niezmierną słabość. Zawstydzony sytuacją, młodzieniec spróbował się wyprostować, wtedy jednak zawiał potężny wiatr w formie wiru i okręcił go kilkakroć na lewej nodze. Na swej drodze spostrzegł kolegium (może La Flèche, gdzie się uczył?) i zapragnął się w nim schronić. Miał zamiar dotrzeć do kościoła, aby się pomodlić. Minął znajomą osobę, lecz jej nie pozdrowił; kiedy chciał naprawić ten lapsus, nie mógł się cofnąć, ponieważ znowu zaczął wiać silny wiatr w kierunku kościoła. Spotkał też innego znajomego, który przekazał mu dla pana N. zamorski owoc, przypominający melona. Wszyscy inni widziani we śnie poruszali się i zachowywali normalnie, jedynie on jeden doświadczał trudności w utrzymaniu równowagi. Niebawem się ocknął i spostrzegł, że leży na lewym boku. Sądząc, że sen może być dziełem złego demona, uczony obrócił się na prawy bok i jął się modlić, pamiętając, iż w oczach Boga winny jest wielu grzechów, które popełniał w skrytości, tak aby ludzie ich nie widzieli. Po mniej więcej dwóch godzinach rozmyślań nad dobrem i złem zasnął znowu. We śnie usłyszał wielki huk, który wziął za grzmot pioruna. Natychmiast obudził się ze strachu i dostrzegł mrowie drobnych iskierek ognia wypełniających pokój. Zdarzało mu się już wcześniej doświadczać takiego zjawiska, teraz jednak zdecydowany był zaobserwować jego przyczyny i zamykając oraz otwierając oczy, śledził swoje wrażenia. Filozoficzny namysł rozproszył lęk i uczony zasnął po raz trzeci. Tym razem nie było się czego bać. Znalazł na stole książkę, o której nie pamiętał, by ją wcześniej tam położył. Otworzył ją, stwierdzając zaś, że to słownik, ucieszył się, ponieważ książka mogła się przydać. W tej samej chwili odkrył też obok inną książkę, także dla niego nową, nie mając pojęcia, skąd się wzięła. Była to antologia Corpus poetarum, otwarła mu się na wierszu zawierającym słowa: Quod vitae sectabor iter? (Jaką drogę życia wybiorę?). W tej samej chwili spostrzegł nieznanego mu męża, który wręczył mu, zachwalając jako znakomity, wiersz zaczynający się od słów Est et Non (Tak i nie). Zaczęli rozmawiać o tym wierszu, w którym Kartezjusz rozpoznał jedną z idylli Auzoniusza. Po chwili książki i dziwny interlokutor rozpłynęli się, a uczony, wciąż się nie budząc, uznał, że śni; ów słownik oznacza wszelką wiedzę zgromadzoną w jednym miejscu, antologia poezji, Corpus poetarum zaś – filozofię oraz mądrość złączone w jedno.

Wierzył bowiem, że wcale nie należy się dziwić, iż poeci, nawet bawiąc się płochymi rzeczami, wypowiadają wiele zdań poważniejszych, bardziej sensownych i lepiej wyrażonych niż to, co mówią filozofowie. Przypisywał to boskiemu natchnieniu oraz sile wyobraźni, która wydobywa zarodki mądrości (zawarte w umyśle każdego człowieka niczym iskry w krzemieniu) z większą łatwością i błyskotliwiej, niż czyni to rozum filozofów.

Rozmyślał też (ciągle we śnie) nad słowami Quod vitae sectabor iter? Po czym zbudził się, nie przestając się zastanawiać nad symboliką swoich snów. Sen trzeci, przechodzący w jawę, zapowiadać miał życie filozofa, który przezwycięży pokusy płynące z różnych stron. Nazajutrz filozof modlił się gorąco do Boga, by zechciał mu odsłonić swoją wolę, oświecić go i prowadzić w poszukiwaniu prawdy. Potem zwrócił się do Matki Bożej, polecając jej tę sprawę, najważniejszą w swym życiu, złożył też ślub, że przy okazji podróży do Italii, którą planował w najbliższym czasie, odbędzie pielgrzymkę do Loreto. Później zobowiązał się nawet, że od Wenecji odbędzie tę pielgrzymkę pieszo. Religijno-filozoficzny entuzjazm po kilku dniach opadł. Ostatecznie filozof nie wybrał się tej zimy do Italii. Nie znaczy to bynajmniej, że kiedy później ochłonął, przestał wierzyć w natchnienie płynące z owych snów. Epizod ten odegrał, jak się zdaje, ważną rolę w duchowym rozwoju Kartezjusza, choć trudno treść owych snów powiązać z jakimiś uchwytnymi etapami jego poglądów. Najprawdopodobniej rzecz dotyczy pewnych głębszych skojarzeń, poetyckiej strony filozofii, dopiero później umiał ją wyrazić w terminach jasnych, jak sądził, dla każdego człowieka obdarzonego rozsądkiem.

Wziąwszy pod rozwagę, iż zasady tych nauk winny być wszystkie zaczerpnięte z filozofii, w której nie znajdowałem jeszcze pewnych podstaw, pomyślałem, iż trzeba mi przede wszystkim starać się ustalić takowe, i że – wobec tego, iż jest to rzecz najważniejsza w świecie i w której najbardziej należało się obawiać pośpiechu i uprzedzenia – nie powinienem podejmować dzieła tego wprzódy, aż osiągnę wiek o wiele dojrzalszy niż dwadzieścia trzy lat, które wówczas liczyłem, i aż zużyję wiele czasu na przygotowanie się do tych zadań, tak wykorzeniając z umysłu wszystkie błędne mniemania, jakie przyjąłem weń przed tym czasem, jak też gromadząc rozmaite doświadczenia, aby zbierać materię dla moich rozumowań i ćwicząc się ciągle w metodzie, jaką obrałem, aby umocnić się w niej coraz więcej. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Jeśli wierzyć wspomnieniom filozofa, rozpoczął on wtedy swego rodzaju eksperyment poznawczy, traktując życie i jego przypadki jako spektakl odbywający się na jego oczach i dostarczający materiału do przyszłej pracy filozoficznej. Ustalił sobie na okres przejściowy pewne reguły postępowania, ponieważ nie można zanegować wszystkiego jednocześnie. Sceptyczny po to, aby się ze sceptycyzmu raz na zawsze wydobyć, traktował te lata wędrówki jak prolog.

Upewniwszy się w ten sposób co do tych zasad i odłożywszy je na stronę wraz z prawdami wiary, które zawsze były na pierwszym miejscu w moich wierzeniach, osądziłem, iż, co do reszty mniemań, mogę swobodnie przystąpić do ich uprzątnięcia. Otóż, spodziewałem się lepiej z tym uporać, obcując z ludźmi, niż pozostając dłużej zamknięty w komorze, gdzie począłem wszystkie te myśli: zima tedy jeszcze niezupełnie dobiegła końca, a ja już puściłem się w drogę. I przez całe następne dziewięć lat czyniłem nie co innego, jak tylko tłukłem się tu i tam po świecie, starając się być raczej widzem niż aktorem we wszystkich komediach, jakie się na nim odgrywa. Rozważając w każdym przedmiocie szczególnie to, co mogłoby go uczynić podejrzanym i dać nam sposobność do omyłki, wykorzeniałem równocześnie z mego umysłu wszystkie błędy, jakie mogły się weń wprzódy wśliznąć. Nie iżbym w tym naśladował sceptyków, którzy wątpią, aby wątpić, i lubują się zawsze w niezdecydowaniu; przeciwnie, cały mój zamiar dążył tylko ku temu, aby się upewnić. Odrzucałem ruchomą ziemię i piasek, aby natrafić na skałę lub glinę. Udawało mi się to, jak sądzę, dość dobrze, ile że, starając się odkryć fałszywość lub niepewność twierdzeń, jakie rozpatrywałem, nie za pomocą słabych przypuszczeń, ale za pomocą jasnych i pewnych rozumowań, nie spotykałem wśród nich tak wątpliwego, z którego bym nie wyciągnął jakiejś dość pewnej konkluzji, choćby tej właśnie, iż nie zawiera ono nic pewnego. I jako burząc stare domostwo, zachowuje się zazwyczaj gruz, aby się nim posłużyć ku zbudowaniu nowego, tak niwecząc wszystkie mniemania, które osądziłem jako źle ugruntowane, czyniłem rozmaite spostrzeżenia i nabywałem mnogich doświadczeń, które posłużyły mi później ku zbudowaniu pewniejszych. Co więcej, ćwiczyłem się wciąż w metodzie, jaką sobie przepisałem; poza tym bowiem, iż starałem się na ogół prowadzić wszystkie moje myśli wedle reguł, zachowywałem sobie, od czasu do czasu, kilka godzin, które obracałem osobliwie na ćwiczenie się w trudnościach matematycznych lub nawet także w niektórych innych, które mogłem niejako upodobnić do matematycznych, odłączając je od zasad wszystkich nauk, które mi się nie zdawały dość pewne, jako ujrzycie, iż uczyniłem w wielu wyłożonych w tymże tomie. I tak, nie żyjąc na pozór w inny sposób niż ci, którzy, nie mając innego zadania, jak tylko pędzić życie lube a niewinne, starają się oddzielić przyjemności od błędów, i którzy, aby się cieszyć swoim wczasem nie nudząc się, zażywają wszystkich godziwych rozrywek, nie zaniedbywałem statecznego posuwania się w moim zamiarze i zapuszczania się w poznanie prawdy, być może więcej, niż gdybym był tylko czytał książki lub obcował z uczonymi. (przeł. T. Żeleński-Boy)

Niewiele wiemy o tych fascynujących Wanderjahre filozofa. Rok po nocy snów uczestniczył w oblężeniu i zdobyciu Pragi. Nie jest jasne, jaki był jego osobisty udział w walkach, ważnych dla losów Czech, wtedy to bowiem, w bitwie na Białej Górze, czescy protestanci ponieśli sromotną klęskę, która przesądziła o rządach Habsburgów na kilka wieków. Przywódcy powstania przeciw cesarzowi zostali ścięci, a ich głowy zatknięte na moście przez wiele lat stanowiły przestrogę dla potencjalnych buntowników. Palatyn reński, Fryderyk V, „zimowy król” Czech, uciekł, zabierając jedynie trochę klejnotów. Parę lat wcześniej na uroczystościach jego zaślubin z Anną Stuart odegrano Burzę Williama Shakespeare’a. Pochłonięty mocarstwowymi rojeniami młodzik, nie zwrócił zapewne żadnej uwagi na słowa Prospera:

Aktorzy moi, jak ci powiedziałem,

Były to duchy; na moje rozkazy

Na wiatr się lekki wszystkie rozpłynęły.

Jak bezpodstawna widzeń tych budowa,

Jasne pałace i wieże w chmur wieńcu,

Święte kościoły, wielka ziemi kula,

Tak wszystko kiedyś na nic się rozpłynie,

Jednego pyłku na ślad nie zostawi,

Jak moich duchów powietrzne zjawisko.

Sen i my z jednych złożeni pierwiastków;

Żywot nasz krótki w sen jest owinięty. —

 

 

Wstęp do sprawy Galileusza

Sprawa Galileusza była tyleż heroiczną, co bezskuteczną próbą zatrzymania czasu i naukowego postępu przez Kościół rzymski. Od czasu skazania Galileusza pojawił się wzór działania, powtarzający się aż do dziś: „nauki” Kościoła, interpretowane przez słabo zorientowanych w nauce teologów, utrzymywane jedynie siłą stojącej za nimi instytucji, wycofywały się stopniowo i chyłkiem z co bardziej oczywistych głupstw głoszonych jako prawdy objawione. Co nie znaczy, że działo się to szybko. Jak zauważył kiedyś Albert Camus: „Książki Kopernika i Galileusza były na indeksie do 1822 roku. Trzy wieki uporu to już kokieteria” (przeł. J. Guze).

Odkrycia dokonywane w XVII wieku w astronomii i fizyce prowadziły do obrazu świata coraz bardziej oddalonego od potocznych wyobrażeń, a więc także i od zdroworozsądkowej u swego korzenia filozofii Arystotelesa oraz od literalnego rozumienia tekstu Pisma Świętego. Teoria Kopernika była jednym z pierwszych przykładów, gdy nauka głosiła tezę sprzeczną z naszym bezpośrednim doświadczeniem. Zamęt poznawczy jeszcze bardziej pogłębiły teleskopowe odkrycia Galileusza na niebie. Już sam fakt, że istnieją obiekty niepostrzegalne gołym okiem, stanowił duży wstrząs dla współczesnych. Sam uczony pod wpływem tych odkryć zaczął coraz śmielej głosić kopernikanizm, uznając, że potrafi nie tylko udowodnić fałszywość fizyki arystotelesowskiej, ale także wykazać naukowo ruch Ziemi.

Galileusz zajął się teologią z konieczności, ponieważ został zadenuncjowany jako heretyk i stał się celem niewybrednych ataków ze strony dominikanów z Florencji. Najważniejszy z jego tekstów teologicznych, List do Wielkiej Księżny Krystyny (1615), pochodzi z okresu, gdy uczony wciąż jeszcze miał nadzieję, że Kościół katolicki nie opowie się oficjalnie przeciwko nauce kopernikańskiej. Wymagało to jednak odstąpienia od dosłownej interpretacji niektórych fragmentów Pisma Świętego. Galileusz przedstawił własną propozycję hermeneutyki Biblii, zwracając uwagę na fakt, że adresowana jest ona także do ludzi nieuczonych i posługuje się w tym celu językiem potocznym, nie można więc oczekiwać od tekstu Pisma objaśnień zjawisk przyrodniczych. Co więcej, przywołując tradycję dwóch ksiąg: księgi objawionej i księgi przyrody, stara się wykazać, że w razie pozornego konfliktu obu tych źródeł poznania, gdyby jakaś dobrze udowodniona prawda nauk przyrodniczych stała w sprzeczności z naszym zrozumieniem Pisma, należałoby zastanowić się nad zmianą interpretacji tekstu świętego. Podkreślić należy, że przynajmniej w ogólnych zarysach taki punkt widzenia nie był jakoś szczególnie oryginalny w XVII wieku. Przed Galileuszem zbliżone podejście hermeneutyczne głosił Johannes Kepler, później w podobnym duchu wypowiadali się niemal wszyscy przedstawiciele nowej nauki, nawet tacy fundamentaliści biblijni jak Isaac Newton. Jako przykład nowej interpretacji Biblii podaje Galileusz cud z Księgi Jozuego, gdy wedle tekstu Pisma Św. (Joz, 10, 13) słońce zatrzymało się na pewien czas. Otóż cud ten – zdaniem Galileusza – można zrozumieć naukowo, gdy przyjmiemy, że Słońce (znajdujące się pośrodku układu planetarnego) przestało obracać się wokół osi, co z kolei sprawiło, że także planety stanęły i cały kosmiczny zegar znieruchomiał, po czym znowu ruszył. Jak się wydaje, Galileusz zaczerpnął tu wiele ze wstępu do Astronomia nova (1609) Keplera, gdzie zaproponowany został taki właśnie mechanizm omawianego cudu (cudowne było zatrzymanie i ponowne uruchomienie Słońca, pozostałe zjawiska przebiegały w sposób naturalny).

Kościół katolicki wyjątkowo niechętnie patrzył na próby indywidualnej interpretacji Pisma, zwłaszcza podejmowane przez ludzi świeckich, nawet tak wybitnych jak Galileusz. Toteż różne zabiegi Galileusza, w tym jego kampania informacyjno-propagandowa prowadzona w Rzymie wśród najwyższego duchowieństwa, nie odniosły skutku. W roku 1616 nieruchomość Słońca uznano za sprzeczną z tekstem Pisma Św., a ruch Ziemi – za co najmniej błąd w wierze. Sam Galileusz został napomniany, by nie głosił poglądów kopernikańskich, choć dokładny sens tego napomnienia pozostaje wciąż niejasny – zachowały się na ten temat dwa nieco różne w treści dokumenty. Galileusz zrozumiał, że musi zamilknąć, choć poglądów kopernikańskich nie zmienił. Na razie uczonego nie spotkało nic złego. Do jego patronów w tym okresie należał m. in. kardynał Maffeo Barberini, który w 1620 r. napisał nawet na jego cześć wiersz pod tytułem Adulatio perniciosa („Zgubna pochwała”). Jak bardzo proroczy okazał się tytuł owego wiersza, miał się Galileusz przekonać, gdy Barberini został papieżem, przybierając imię Urbana VIII. Papież uważał się za intelektualistę i uczony uznał, że nadszedł sprzyjający czas na otwarte opowiedzenie się za ruchem Ziemi, ogłaszając w 1632 r. Dialog o dwu najważniejszych układach świata Ptolemeuszowym i Kopernikowym. Książka miała wprawdzie wszelkie możliwe zezwolenia władz kościelnych, lecz nie przypadła do gustu papieżowi. Rozpętała się burza, zakończona skazaniem Galileusza na dożywotni areszt domowy i całkowity zakaz publikacji. Musiał też publicznie podczas upokarzającej ceremonii wyrzec się swych poglądów.

Obraz z XIX wieku przedstawiający wyrzeczenie się poglądów przez Galileusza (Joseph-Nicolas Robert-Fleury). W rzeczywistości uczony wystąpił w worku pokutnym i musiał klęczeć, odczytując poniższy tekst:

Ja, Galileo, syn Vincenza Galilei z Florencji, w wieku lat moich 70, osobiście stanąwszy przed sądem, na klęczkach w obliczu waszym, najdostojniejsi i najwielebniejsi panowie kardynałowie, generalni inkwizytorzy w całej powszechności chrześcijańskiej przeciwko występkowi herezji, mając przed oczami moimi najświętszą Ewangelię, której dotykam własnymi rękami, przysięgam, że zawsze wierzyłem, obecnie wierzę i z pomocą bożą w przyszłości wierzyć będę w to wszystko, co utrzymuje, głosi i czego naucza św. Kościół katolicki i apostolski. Ponieważ jednak po tym, gdy to Święte Oficjum upomniało mnie i nakazało z mocą prawną, bym całkowicie porzucił fałszywe mniemanie, że Słońce jest środkiem świata i nie porusza się, a Ziemia nie jest środkiem świata i się porusza, i abym nie utrzymywał, nie bronił ani nie nauczał tej fałszywej doktryny, i po tym, gdy mi podano do wiadomości, że doktryna ta jest sprzeczna z Pismem Świętym, napisałem i ogłosiłem drukiem książkę, w której omawiam tę potępioną już doktrynę i na jej poparcie przytaczam bardzo przekonujące argumenty, nie dając żadnego rozwiązania – przeto uznany zostałem za mocno podejrzanego o herezję, a mianowicie, iż utrzymywałem i wierzyłem, że Słońce, nieruchome, jest środkiem świata (*), a Ziemia nie jest tym środkiem i się porusza.
Pragnę tedy z umysłów Waszych Eminencji i każdego prawego chrześcijanina usunąć to mocne podejrzenie, jakie słusznie wzbudziłem. (…) Przysięgam, że w przyszłości nigdy już nie będę głosił ani twierdził, słowem bądź pismem, niczego, co skłoniłoby do takiego podejrzenia. Jeślibym zaś poznał jakiegoś heretyka lub podejrzanego o herezję, doniosę o tym Świętemu Oficjum (…) Ja, Galileo Galilei, wyrzekam się, przysięgam, obiecuję i przyjmuję wszystko to, co wyżej przeczytałem, i na przypieczętowanie tego własnoręcznie podpisuję niniejszy dokument, który odczytałem słowo po słowie w Rzymie, w klasztorze Santa Maria sopra Minerva, dzisiaj, w dniu 22 czerwca 1633 roku.
Ja, Galileo Galilei, wyrzekłem się, jak wyżej, i własnoręcznie podpisuję.

Sprawa Galileusza jest oczywiście w jakiejś mierze konfliktem intelektualnym, starciem idei. Rozstrzygała się kwestia nowego podejścia do interpretacji Pisma Św. Kościół instytucjonalny nie miał jednak cienia wątpliwości, że filozofia nadal powinna być służką tradycyjnie rozumianej teologii. Galileusz i jego zwolennicy (często także duchowni) nie zostali wysłuchani – linia podziału biegła tu zresztą nie tyle między Kościołem a nauką, co raczej między zwolennikami nowych idei a ich przeciwnikami. Ostateczne decyzje zarówno w roku 1616, jak i w roku 1633 zapadły bez głębszego rozważenia tez Galileusza. W tym drugim przypadku sprawdzano tylko, czy można znaleźć w książce podstawy do oskarżenia jej autora. Bardzo możliwe, że jakąś rolę odegrał tu gniew Urbana VIII, który poczuł się urażony widząc własne słowa włożone w usta Simplicia – niezbyt rozgarniętego uczestnika Galileuszowego Dialogu. Cała sprawa Galileusza stała się głośnym przykładem użycia (czy też nadużycia) władzy doczesnej Kościoła katolickiego do cenzurowania treści teorii naukowej. Nie ma w tym kontekście znaczenia, czy Galileusz miał mocne dowody naukowe przemawiające za ruchem Ziemi – bardzo rzadko uczony może przedstawić takie dowody już w chwili publikacji swej teorii.

Przemiana światopoglądowa związana z rewolucją naukową była już wówczas w toku i żadne zakazy nie mogły tego odwrócić. Jednak tak ostry konflikt nie był nieuchronny. W tym konkretnym przypadku rolę odegrały zapewne cechy osobiste uczonego, który miał temperament zjadliwego polemisty, a także szersze uwarunkowania, jak osłabiona pozycja polityczna papieża i potrydencka mentalność oblężonej twierdzy.

Nie wszędzie dopasowanie prawd naukowych i prawd religijnych dokonywało się w sposób administracyjny, jak w Rzymie. W krajach protestanckich nie było żadnego odpowiednika sprawy Galileusza. W roku 1638 John Wilkins opublikował w Londynie książkę The Discovery of A World in the Moone, w której głosił kopernikanizm zbliżony do poglądów Galileusza. Wilkinsa nie tylko nie spotkały z powodu książki żadne represje, ale pod koniec życia został biskupem Kościoła anglikańskiego i jednym z założycieli Towarzystwa Królewskiego.

Konsekwencje sprawy Galileusza dla dalszego rozwoju nauki były stosunkowo niewielkie, m. in. dlatego, że niebawem znaczenie zyskały kraje północne, przede wszystkim Francja, Holandia i Anglia, gdzie cenzura kościelna miała wpływ niewielki albo żaden. Kartezjusz wolał jednak na wszelki wypadek mieszkać w Holandii i wstrzymał się z ogłoszeniem gotowego w roku 1633 Świata albo traktatu o świetle. Kartezjusz, podobnie jak Galileusz, był szczerym katolikiem i z wielu powodów nie chciał konfliktu ze swym kościołem.

Wstyd Kościoła pozostał do dziś. Jeszcze pod koniec XX wieku, kiedy podjęto na wniosek Jana Pawła II badania nad sprawą Galileusza, strona kościelna starała się zrzucić z siebie winę, przyznając jedynie, że uczony „wiele wycierpiał
(…) ze strony ludzi i instytucji Kościoła”, dodając zarazem jednym tchem, że to Galileusz błędnie rozumiał metodę naukową.

(*) Nb. Galileusz nie uważał, że Słońce jest środkiem świata, w ogóle nie wierzył, aby istniał jakiś środek świata, ale z pozycji klęcznej trudno było zaczynać na ten temat dyskusję.

Dialog o dwu najważniejszych układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym – Galileo Galilei (1/2)

Dialog o dwu najważniejszych układach świata: ptolemeuszowym i kopernikowym – Galileo Galilei (2/2)

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).