Henry Cavendish: serce jak lód, głowa i ręce wirtuoza (1797-1798)

Zdarzają się ludzie, którzy nie przepadają za bliskością innych. Nie wiadomo, co z takimi zrobić – nie dają się wciągnąć do rozrywek i zabaw ludzkiego stada, unikają nawet miłości, nie mówiąc już o różnych grach społecznych w rodzaju: „popatrz, ile posiadam”, „popatrz, jaki jestem ważny i zewsząd okazały” itd. Piękny obraz takiego człowieka dał Claude Sautet w filmie Serce jak lód. Być może wzorował się do jakiegoś stopnia na postaci Maurice’a Ravela, któremu różni „badacze owadzich nogów” do dziś nie potrafili przekonująco przypisać żadnego życia uczuciowego.

„Nasze praktyczne, realne życie jest, mianowicie, nudne i mdłe, o ile nie targają nim namiętności, jeśli zaś one wkraczają, staje się niebawem bolesne; szczęśliwi są zatem ci tylko, którym przypada w udziale jakaś nadwyżka intelektu ponad tę miarę, jakiej wymaga służenie woli. W ten sposób bowiem wiodą prócz życia realnego ponadto jeszcze życie intelektualne, które bez bólu daje im stale ciekawe zajęcie i rozrywkę”. To oczywiście Arthur Schopenhauer, wielki filozof i nie mniejszy mizantrop (Aforyzmy o mądrości życia, przeł. J. Garewicz).

Uczeni powinni służyć ludzkości, pomnażać wiedzę ku powszechnemu zadowoleniu oraz własnej sławie – w końcu na jaką inną nieśmiertelność może liczyć człowiek rozumny? Co jednak myśleć o kimś, kto wyrzeka się zwyczajnego życia, nie szuka bliskości, więzów uczuciowych, nie dąży nawet do sławy? Henry Cavendish, najstarszy syn lorda Charlesa Cavendisha, starał się w życiu nie zajmować niczym oprócz nauki eksperymentalnej. Zainteresowania naukowe, podobnie jak majątek i członkostwo w Towarzystwie Królewskim odziedziczył po ojcu. Charles był tylko pełnym zapału amatorem, Henry natomiast okazał się uczonym wyjątkowo utalentowanym i pomysłowym. Nieśmiałość, a może słabe rozeznanie w wartości własnych prac, sprawiły, że nie opublikował wszystkich swoich dokonań. W 1772 roku zmierzył siły oddziaływania między ładunkami. Kilkanaście lat później podobne doświadczenia przeprowadził Charles Augustin Coulomb. Ponieważ tylko Coulomb ogłosił swoje wyniki, ładunek mierzymy dziś w kulombach, a nie w kawendiszach.

Cavendish_Henry_signature

Matka odumarła go bardzo wcześnie, unikał potem kobiet, krępowała go nawet ich obecność. Większą część życia spędził przy ojcu, żyjąc dość skromnie jak na syna lorda. Gdy ojciec umarł, a Henry był już po pięćdziesiątce, nic się nie zmieniło, oprócz tego, że teraz to on musiał decydować o wszystkim. Ubierał się zawsze skromnie i wedle mody sprzed dwóch pokoleń. Rzadko przyjmował gości i podejmował ich zawsze tym samym: podawano udziec barani i nic ponadto. Sam bywał tylko na spotkaniach uczonych z Towarzystwa Królewskiego, a w poniedziałki przez piętnaście lat jadał kolację w innym, nieformalnym zgromadzeniu uczonych, zwanym Monday Club. Nie znaczy to, że rozmawiał tam z kolegami. Odzywał się rzadko i mało, choć zwykle z sensem i precyzyjnie. Wystąpienia takie sprawiały mu widoczną trudność: peszył się, mamrotał. Miał przy tym piskliwy głos, co jeszcze bardziej wzmagało jego nieśmiałość. Nie mógł znieść pochwał i uciekał, gdy ktoś próbował zawrzeć z nim znajomość, zaczynając od komplementów i pochlebstw.

Charakter Cavendisha sprawiał kłopot biografom. Nie miał poglądów politycznych. Wolny był od snobizmu rodowego, podpisywał się samym imieniem i nazwiskiem, choć obaj jego dziadkowie byli książętami, a ród należał do najstarszych w kraju. Nie wyznawał żadnej religii. Doświadczenia prowadził nawet w niedziele – dzień czczony w Anglii jako święty przez wszystkie bodaj konkurujące tam ze sobą wyznania chrześcijańskie. Gdy umierał, wolał być sam, odesłał nawet lokaja. Nie wezwał też żadnego duchownego. Za życia nie interesował się zbytnio swoim majątkiem, głównym problemem było raczej znalezienie uczciwego stewarda, który miał nim zarządzać. A było czym: zostawił po sobie 700 000 funtów (ówczesny funt to 100-10 000 dzisiejszych funtów, zależnie od sposobu liczenia). Słabo orientował się w wartości pieniądza. Gdy proszono go, aby jakoś pomógł człowiekowi w finansowych tarapatach, zapytał, co mógłby zrobić. Gdy zasugerowano jakieś niewielkie wsparcie finansowe, Cavendish spytał, czy może to być czek na 10 000 funtów. Chodziło o Niemca, Heidingera, który zaczął prowadzić bibliotekę Cavendisha (dostępną na równych prawach także innym uczonym, właściciel wypisywał skrupulatnie rewersy, gdy coś wypożyczał). Ogólnie biorąc, Cavendish nie budził wszakże sympatii, nawet gdy wspierał potrzebujących. Mówiono, że jest suchy, pedantyczny, niewrażliwy na piękno, patrzący na krajobraz okiem geodety. Nie było w nim nic sentymentalnego, romantycznego ani też rycerskiego, o ile nie liczyć epizodu, kiedy to na przechadzce przyszedł z pomocą jakiejś kobiecie zaatakowanej przez rozwścieczoną krowę.

Jego praca naukowa była bezsprzecznie najwyższej próby. Towarzystwo Królewskie było swoistą kuźnią demokracji: na równych prawach współpracowali tam arystokrata Cavendish, syn cieśli okrętowego James Watt i syn rzemieślnika zajmującego się wykańczaniem tkanin Joseph Priestley (może zresztą dlatego, że społeczeństwo angielskie najwcześniej zarzuciło feudalne myślenie, nie doszło tam do rewolucji w rodzaju francuskiej). Cavendish, Priestley i Watt prowadzili niemal równocześnie ważne doświadczenia na temat powstawania wody z wodoru i tlenu. Watt rozniecił nawet spór o pierwszeństwo odkrycia, jak się zdaje, Cavendish zbytnio się tą kwestią nie przejmował. Sytuację wyjaśnił zresztą Francuz, Antoine Lavosier, który dowiódł, że wodę można rozłożyć na składowe pierwiastki – nie jest więc ona substancją prostą i nieredukowalną (Cavendish traktował ten proces powstawania w ramach koncepcji flogistonu, skazanej już wtedy na naukową śmierć).

Cavendish stwierdził też, że gdy pięć części zdeflogisotonowanego powietrza (czyli tlenu) zmieszać z trzema częściami zwykłego powietrza i przymusić do reakcji za pomocą wyładowań elektrycznych, niemal całe powietrze znika (tworzy się kwas azotawy). Zostawała jednak część: „nie więcej niż 1/120”, która nie zamieniała się w kwas. Precyzja Cavendisha okazała się tu niezwykle ważna: pod koniec XIX wieku zainteresował się tymi wynikami William Ramsay, a także lord Rayleigh, o którym pisaliśmy – niereagująca część okazała się nowym, chemicznie obojętnym gazem, który nazwano argon.

Najważniejsze okazały się chyba doświadczenia Cavendisha, pozwalające wyznaczyć średnią gęstość naszej planety. Wedle jego pomiarów gęstość Ziemi równa jest 5,45 g/cm3 – błąd wyniósł jedynie 1%. Chodziło o zmierzenie przyciągania grawitacyjnego w warunkach laboratoryjnych.

Teoria powszechnego ciążenia Newtona była śmiałym uogólnieniem danych astronomicznych. Postulowała, że ta sama siła, którą na Ziemi nazywamy ciężarem, działa także we wszechświecie. Była trudna do przyjęcia m.in. dlatego, że przecież nie obserwujemy, aby dwie masy się przyciągały – siły te są zbyt małe. Próbowano je wprawdzie w XVIII wieku szacować badając przyciąganie dużych mas skalnych. W ich pobliżu zawieszony ciężarek (tzw. pion) powinien odchylać się od kierunku pionowego w sensie geometrycznym (czyli przedłużenia promienia Ziemi w punkcie obserwacji). Jak można to stwierdzić? Można wykonać pomiary astronomiczne wysokości (kątowej) tych samych gwiazd z dwóch miejsc: na południe i na północ od jakiejś góry. Kwadrant służący do pomiaru wysokości nad horyzontem ustawiamy korzystając z pionu. Ponieważ kierunki pionu w obu miejscach powinny się różnić, różnić się też będą nasze wyniki. Pierwszy raz pomiary takie wykonali Bouguer i La Condamine podczas wyprawy do Peru w celu zmierzenia kształtu Ziemi (pisałem o tym zagadnieniu: niemal cały rozgłos przypadł Maupertuis, który wcześniej przedstawił wyniki). Metoda taka miała jednak tę wadę, że trudno porządnie obliczyć masę jakiejkolwiek góry.

Od sierpnia 1797 do maja następnego roku przeprowadził Cavendish serię pomiarów siły grawitacji. Idea pochodziła od wielebnego Johna Michella, który planował takie doświadczenie, ale nie zdążył go wykonać przed śmiercią. Jego przyrządy trafiły do wielebnego Francisa Johna Hyde’a Wollastone’a, profesora w Cambridge, który nie miał warunków do przeprowadzenia eksperymentu, przekazał więc urządzenia Cavendishowi. W rzeczywistości Cavendish bardzo udoskonalił różne szczegóły i tylko dzięki temu osiągnął sukces. Główną częścią aparatury był drążek z parą ołowianych kul o średnicy 5 cm; drążek zawieszony był na cienkim drucie. Układ taki, gdy obrócić nieco drążek, wykonywał powolne drgania skrętne. Wyznaczając okres drgań, można było określić czułość tego układu na parę sił skręcających. Jeśli następnie zbliżyć do tej wagi skręceń inną parę dużych kul ołowianych (każda o masie 158 kg), położenie równowagi układu nieco się przesuwa. Cavendish mierzył odchylenia układu z drugiego pokoju za pomocą dwóch lunet. Chodziło o to, że układ pomiarowy był niezwykle czuły na wszelkie zakłócenia w rodzaju zmian temperatury, prądów powietrza czy drgań podłoża i dlatego, lepiej było, gdy był odizolowany od zewnętrznych wpływów. Uczony wyznaczał położenie równowagi obserwując starannie wahania układu i wyznaczając maksymalne wychylenia.

07861996_0062

Waga skręceń: lg – drut, hh – zawieszenie małych kul, L – lunety do obserwacji ruchu układu..

07861996_0063

Widok z góry: ww oraz w’w’ – duże kule obracające nieco położenie równowagi wagi skręceń.

To piękne i precyzyjne doświadczenie wyraża też chyba w jakimś stopniu osobowość Henry’go Cavendisha: ta ustawiana z delikatnością i uwagą aparatura, drgania w pustym pokoju, idealny obserwator na zewnątrz, dostrzegający wszystko, kontrolujący wszystko: pierwszy człowiek, który zobaczył na własne oczy, jak przyciągają się masy.

Pierre Louis Moreau de Maupertuis: „Spłaszczył Ziemię i Cassinich!”, 1737

– Czy nudzisz się pan czasami? – spytała go kiedyś markiza du Châtelet.

– Zawsze, madame – odpowiedział uczony.

Był synem bogatego korsarza z Saint-Malo, który otrzymał szlachectwo za swe zasługi dla korony francuskiej – zajmował się bowiem łupieniem angielskich statków na Atlantyku. Dobrze wychowany i przyzwyczajony do zbytku, wstąpił do muszkieterów, ojciec kupił mu kompanię, aby mógł zostać dowódcą, ale bardziej pociągały go nauki matematyczne i kawiarnie, gdzie prowadziło się naukowe dyskusje. Dzięki stosunkom został łatwo członkiem paryskiej Akademii Nauk. Nie był szczególnie odkrywczy, ale zagustował w nauce Newtona, pojechał nawet do Anglii, gdzie wybrano go na członka Towarzystwa Królewskiego. Zaczął propagować ideę powszechnego ciążenia, która we Francji, a zwłaszcza wśród akademików, cieszyła się opinią przesądu. Czekając aż dziwna angielska moda na grawitację przeminie, publikowano tam różne prace na temat wirów kosmicznych unoszących planety, rozwiązywano problemy, które już zostały rozwiązane albo które nie mogły zostać prawidłowo rozwiązane.

Ową błogą drzemkę akademików przerwał Maupertuis. Newton przewidywał, że glob ziemski ma kształt nieco spłaszczonej elipsoidy. Jak przypuszczał profesor z Cambridge, Ziemia musiała być na początku płynna. Zastygłaby w kształt niemal idealnej kuli, gdyby nie ruch wirowy, który sprawia, że części Ziemi leżące dalej od osi obrotu poddane są sile odśrodkowej, w rezultacie kula taka powinna się odrobinę spłaszczyć przy biegunach.

ellipsoid_geometrydiag

Akademia była zarazem błogosławieństwem i przekleństwem uczonych francuskich. Błogosławieństwem – po wypłacała im pensje i podejmowała się zadań przekraczających możliwości jednostki. Przekleństwem – bo jak wszelkie tego rodzaju ciała tworzyła hierarchię uczonych i osiągnięć niekoniecznie odpowiadającą prawdzie. Wystarczyło znać ministra Maurepas lub/i niektóre damy z wielkiego świata. Jednym z takich dużych projektów francuskich akademików były pomiary geodezyjne. W tym czasie zajmowała się nimi druga już generacja astronomów z Włoch, Cassinich (bo paryska Akademia Nauk, podobnie jak w późniejszych czasach, sprzyjała powstawaniu wielopokoleniowych dynastii). Otóż pomiary Cassinich wskazywały, że Ziemia jest wydłużona wzdłuż osi obrotu.

Zaczęto więc forsować pomysł dokładniejszego zmierzenia kształtu Ziemi. Najlepiej, gdyby wyniki pomiarów we Francji można było porównać z wynikami otrzymanymi blisko równika i blisko bieguna. Chodziło o pomiary długości 1º południka w terenie. Im większa jest ta długość, tym większy promień krzywizny i tym mniejsza sama krzywizna. Jedną ekspedycję wysłano w tym celu do Peru, gdzie utknęła ona na osiem lat. Towarzyszyły im wszelkie możliwe trudności: od terenowych i klimatycznych, po wrogich Indian, usuwających znaki geodezyjne, i niesnaski wśród uczonych, spowodowane m.in. tym, że kierownik ekipy wydawał pieniądze na Murzynkę o imieniu Guzman i kazał ją nawet portretować rysownikowi wyprawy.

Kiedy nie zanosiło się na szybki powrót ekspedycji peruwiańskiej, Maupertuis wpadł na pomysł zorganizowania drugiej wyprawy do Laponii. Miał nadzieję szybko zrobić pomiary i wrócić, zgarniając całą sławę dla siebie. Pomysł był nieco szalony, ponieważ ani Maupertuis, ani jego przyjaciel i towarzysz, krótkowzroczny Alexis Clairaut, nie mieli żadnego doświadczenia w przeprowadzaniu precyzyjnych pomiarów. Wzięli wprawdzie ze sobą kilka osób, które mogły być pomocne, ale i tak zespołowi brakowało kwalifikacji. Pomagał im szwedzki profesor z Uppsali Anders Celsius (autor skali termometrycznej). Maupertuis niebywale dobrze poczuł się w roli kierownika ekspedycji, odezwała się w nim chyba awanturnicza krew przodków. W każdym razie trudy wyprawy (oraz dwie Laponki) pozwoliły mu chyba zapomnieć na chwilę o paryskim spleenie. Ich pomiary wskazywały, że 1º południka w Laponii ma długość o 380 sążni (740 m) większą niż we Francji. Ziemia jest spłaszczona. Cassini się mylą, a wraz z nimi większość akademików w Paryżu.

maupertuis1

Maupertuis dał się z tej okazji sportretować w stroju regionalnym z ręką spłaszczającą globus. Powrót do Paryża i sprawozdanie przed Akademią Nauk – było to zebranie publiczne, któremu mogły przysłuchiwać się także osoby nienależące do Akademii – stało się największym tryumfem jego życia. Potem, niestety, czekały go już same rozczarowania. Cassini zarzucał mu błędy w pomiarach, dawna ekipa nie była już tak zgrana, Clairaut czuł się sprowadzony do roli asystenta, gdy tymczasem to on był mimo młodego wieku najlepszym fizykiem matematycznym w tym zespole, w istocie jednym z kilku najwybitniejszych w osiemnastym stuleciu. Laponki nie radziły sobie w Paryżu. No i oczywiście, akademicy nie dali się przekonać ani do Maupertuisa, ani do Newtona. Maupertuis odrzucił pensję przyznaną mu przez króla Ludwika XV – uważał bowiem, że jest ona zbyt niska – i poprosił, aby rozdzielić ją między członków jego zespołu. Król nie był tym zachwycony. Rozgoryczenie sukcesem, bo tak to chyba trzeba nazwać, sprawiło, że Maupertuis wyjechał po kilku latach do Berlina, zostając przewodniczącym tamtejszej Akademii Nauk (Fryderyk II nie tylko armię chciał mieć najlepszą).

Po jakimś czasie ekspedycja z Peru przywiozła znacznie dokładniejsze pomiary, lecz wtedy nie wywołały już one sensacji. Pozwoliły jednak stwierdzić, że spłaszczenie Ziemi jest dużo mniejsze, niż sądził Maupertuis. Mierzona przez niego różnica w długości 1º południka naprawdę wynosi tylko 136 sążni – 0,25% mierzonej w terenie długości. Newton miał rację. Jego zbyt uproszczoną teorię miał w najbliższych latach udoskonalić Alexis Clairaut.

Powiedzenie: „Spłaszczył Ziemię i Cassinich!” należy do Voltaire’a, który bardzo z początku Maupertuisowi kibicował. Później, kiedy się z nim poróżnił, napisał:

Vous avez confirmé dans les lieux pleins d’ennui
Ce que Newton connut sans sortir de chez lui.

Potwierdził pan w tych krajach nieznanych nikomu
Co Newton dawno wiedział nie wychodząc z domu.