Grawitacja: Newton na ramionach Hooke’a? (1679-1680) (2/2)

Newton zastał list Hooke’a po powrocie do Cambridge. Ostatnie pół roku spędził w swych stronach rodzinnych w Lincolnshire: w czerwcu zmarła jego matka, potem porządkował różne sprawy spadkowe. W odpowiedzi napisał Hooke’owi, że nie zajmuje się prawie wcale „filozofią” (czyli naukami ścisłymi): „moje upodobanie do filozofii wygasło i obchodzi mnie ona równie mało, jak kupca obchodzą cudze interesy albo wieśniaka – nauka”. Zapewne nie udawał, wprawdzie śmierć matki nie była dla niego takim wstrząsem, jak sądzili niektórzy biografowie, ale pochłonęły go sprawy praktyczne, a w poprzednich latach więcej się zajmował teologią i alchemią niż matematyką czy fizyką. Odkąd wyjaśniło się, że nie musi mieć święceń, by pozostać w Trinity College, żył trochę jak na obcej planecie, pochłonięty wyłącznie własnymi myślami i badaniami, które dotyczyły kwestii takich, jak pochodzenie dogmatu Trójcy św. (uważał go fałszerstwo historyczne św. Atanazego), sens Apokalipsy albo zrozumienie pewnych procesów (al)chemicznych. Zaproponował jednak Hooke’owi eksperyment mogący wykazać ruch obrotowy Ziemi. Wyobraźmy sobie ciało swobodnie spadające z pewnej wysokości nad Ziemią na równiku. Ponieważ prędkość ruchu wirowego na tej wysokości jest większa, niż na powierzchni, więc ciało powinno względem Ziemi odchylić się od pionu i spaść nieco na wschód (dziś mówimy o przyspieszeniu Coriolisa). Newton zamieścił rysunek krzywej zakreślonej przez takie ciało (względem obracającej się Ziemi).

Torem ciała jest ADE, z bliżej nieznanego powodu tor przedłużony został pod powierzchnią Ziemi.

Hooke zareagował, poprawiając rysunek Newtona. Otóż jego zdaniem tor wyglądałby następująco:

W istocie mamy tu dwa różne tory: zamknięty AFGHA (wariant bez oporu ośrodka) oraz spiralny AIKLMNOC (wariant z oporem ośrodka). Hooke wyobrażał sobie, że rozcinamy Ziemię na dwie połowy wzdłuż równika, a następnie obie połówki nieco rozsuwamy i pozwalamy ciału krążyć w tej wolnej przestrzeni. Jego modelem eksperymentalnym było wahadło stożkowe. Różnica między obrazkami Hooke’a i Newtona częściowo bierze się stąd, że tor u Hooke’a jest narysowany z nieobracającego się układu odniesienia – dlatego prędkość początkowa jest styczna do równika. Jak pokazał Derek Whiteside, oba tory są dość podobne (w wariancie z oporem ośrodka).

Z kolei zareagował Newton, przedstawiając tor, jaki jego zdaniem zakreśli ciało w przypadku, gdy grawitacja jest stała, niezależna od odległości od środka Ziemi (w układzie nieobracającym się).

Tor miał być krzywą niezamkniętą z kolejnymi apocentrami A, H i K tworzącymi kąt większy od kąta prostego. Szkic ten uzyskany został wykreślnie za pomocą metody, której Newton nie opisał. Stwierdził też, że gdy grawitacja rośnie wraz ze zbliżaniem się do środka, można otrzymać także spiralę.

Hooke sprawdził eksperymentalnie, jaki kształt toru otrzymamy w tym przypadku, obserwując kulkę krążącą po powierzchni odwróconego stożka: rzeczywiście tor ma kształt rozety. Stwierdził też, że krzywa z jego listu dotyczyła nie grawitacji niezależnej od odległości, ale rosnącej jak 1/r^2 (r jest odległością od Środka Ziemi C). Podkreślił przy tym, że w bardziej realistycznym przypadku ruchu wewnątrz Ziemi, grawitacja będzie raczej rosnąć wraz z odległością r, a nie spadać. Raz jeszcze zadał pytanie, jaką krzywą zakreśli ciało w przypadku takiej grawitacji i braku oporu ośrodka.

Na pytanie to nie doczekał się odpowiedzi. Chyba że za odpowiedź uznamy Matematyczne zasady filozofii przyrody. Odpowiedź ta była nieco spóźniona: Newton zajął się pracą nad swym arcydziełem dopiero od jesieni 1684 roku. W okresie między początkiem 1680 a 1684 spostrzegł, że pomysł Hooke’a ma sens, gdyż otrzymuje się w ten sposób elipsy Keplerowskie. Nie uważał tego spostrzeżenia za coś bardzo istotnego, być może najpierw potraktował je jako pewną matematyczną fantazję niekoniecznie odpowiadającą ściśle empirycznej prawdzie. Wymiana z Hookiem była cokolwiek abstrakcyjna i zaświatowa, przypominała kwestię rozważaną przez średniowiecznych filozofów: co się stanie, jeśli do tunelu przechodzącego przez Ziemię na wylot wrzucimy kamień? Czy kamień zatrzyma się w środku Ziemi, czy też może wróci do nas po takim czasie co Gagarin po okrążeniu Ziemi?

Gdy podczas pisania Matematycznych zasad doszły go słuchy, że Hooke rości sobie prawa do zależności 1/r^2, zdenerwował się na tyle że usunął z dzieła wzmianki dotyczące Hooke’a.

Cóż, Isaac Newton nie był wielkoduszny, nie chciał i nie potrafił negocjować społecznie w celu osiągnięcia kompromisu. Mógł być okaleczony psychicznie, matka zostawiła go w dzieciństwie z powodu nowego związku, bez wątpienia był niezwykle zamkniętym i żyjącym we własnym świecie człowiekiem. Zazdrośnie pilnował swoich zabawek.

Ale też zawdzięczał Hooke’owi dużo mniej, niż sądził tamten. Ponieważ Newton obsesyjnie zapisywał swoje rozważania, poprawiał je i przepisywał bez końca i zostawił mnóstwo rękopisów, wiemy sporo na temat jego naukowego rozwoju. Przed 1687 r. nie opublikował nic z mechaniki, bo nie zadał sobie trudu zebrania swych wyników, które były niebagatelne.

Jednym z najwcześniejszych, jeszcze z lat sześćdziesiątych, było obliczenie siły odśrodkowej (później opublikował zbliżone rozważania Christian Huygens). Pierwsze rozumowanie było bardzo proste: wyobraźmy sobie ciało odbijające się sprężyście od powierzchni bocznej walca w taki sposób, że jego tor jest wielokątem foremnym.

Kolejne zmiany pędu ciała są skierowane do centrum. Patrząc na rysunek z prawej strony, widzimy, że suma owych zmian pędu \Sigma \Delta p odpowiada długości wielokąta, gdy pęd jest promieniem okręgu opisanego na wielokącie. Wobec tego stosunek obu wielkości, gdy liczba boków rośnie nieograniczenie dąży do stosunku długości okręgu do jego promienia:

\dfrac{\Sigma \Delta p}{p}\rightarrow 2\pi.

Jest to inna postać wzoru na siłę dośrodkową F_{d} (mówiąc językiem współczesnym, ponewtonowskim):

F_{d}=\dfrac{\Sigma \Delta p}{T}=\dfrac{2\pi p}{T}=\omega p=\dfrac{mv^2}{R}.,

gdzie T,\omega,m,R są odpowiednio okresem, prędkością kątową, masą i promieniem okręgu.

Kilka lat później wyprowadził Newton tę zależność nieco inaczej. Zastosował ją też w połączeniu z III prawem Keplera, by wywnioskować, że siła odśrodkowa w ruchu planet wokół Słońca powinna być jak 1/r^2. Przeprowadził też test Księżycowy, który dał zły wynik z powodu błędnej wartości promienia Ziemi. To nie wszystko: rozwijając swoją metodę fluksji, znalazł wyrażenie na promień krzywizny, gdy znane jest równanie krzywej. Tor w kształcie rozety obliczył prawdopodobnie, wykorzystując wyrażenie dla siły dośrodkowej

F_d=\dfrac{mv^2}{\varrho}=F\sin\alpha,

skąd można obliczyć promień krzywizny, a następnie zbudować krzywą z kolejnych łuków okręgów krzywizny.

Najprawdopodobniej Hooke nie zrozumiałby tej metody, gdyby Newton mu ją przedstawił. W każdym razie daleko mu było do samodzielnego obliczenia kształtu toru w którymkolwiek przypadku.

Jak się zdaje, największym wkładem Hooke’a w odkrycie grawitacji był sam pomysł. Newton wrócił do niego na dobre dopiero w 1684 roku. Patrząc z dzisiejszego punktu widzenia, dziwimy się nieco: wszystkie składniki były już pod ręką, należało je tylko ułożyć we właściwy sposób. Od strony technicznej najważniejszym krokiem było dla Newtona spostrzeżenie, że siła skierowana ku centrum oznacza prawo pól. Wyobraził sobie, że siła działa impulsowo, w stałych odstępach czasu dodając pewien pęd zwrócony ku centrum. Wówczas pola zakreślane przez promień wodzący planety będą w każdym odcinku czasu jednakowe.

Dzięki temu twierdzeniu Newton nie tylko zrozumiał, jaki jest głębszy sens prawa pól Keplera, ale także uzyskał narzędzie pozwalające wprowadzić do geometrii ruchu czas. Należało po prostu wyrażać czas przez pola zakreślane przez poruszające się ciało. Twierdzenie to znalazło się na początku Matematycznych zasad. Niewykluczone też, że Newton przyglądał się różnym ruchom, korzystając z takiej konstrukcji. W taki właśnie sposób oblicza się tory cząstek za pomocą komputerów – możemy dziś oczywiście wykonać znacznie więcej kroków, co oznacza, że możemy wybrać odpowiednio mały krok czasowy.

Orbity ciała w stałym co do wartości polu, a więc odpowiadające przybliżonym wynikom Newtona uzyskanym z promienia krzywizny.

Już w trakcie wymiany listów z Hookiem zauważył Newton prawdopodobnie, że dla siły zmieniającej się jak 1/r^3 torem jest spirala.

W roku 1684 wiedział już, że torem w przypadku siły 1/r^2 rzeczywiście jest Keplerowska elipsa albo inna krzywa stożkowa, jak podejrzewał Robert Hooke. Metoda matematyczna zastosowana przez Newtona nie była jednak rachunkiem różniczkowym i całkowym w znanej nam postaci, lecz przeniesieniem pojęć granicy na geometrię syntetyczną. Wyglądało to np. tak.

Pokażemy jeszcze, jak promień krzywizny wraz z prawem pól pozwala rozwiązać zagadnienie ruchu w polu sił centralnych (tak ostatcznie przyjęło się nazywać siły skierowane wzdłuż promienia wodzącego, przyciągające bądź odpychające).

Rysunek przedstawia realizację idei Hooke’a: ruch prostoliniowy wzdłuż stycznej PR składamy ze spadaniem wzdłuż promienia wodzącego o wektor RQ=PQ’. Kąt d\phi jest infinitezymalny.

QR=\dfrac{F dt^2}{2},

gdzie dt jest odstępem czasu i masa równa jest 1, czyli siła = przyspieszenie). Pole wycinka SQP jest proporcjonalne do czasu hdt/2 (h jest stałą proporcjonalności). Przybliżając to pole polem trójkąta SQP, otrzymujemy

F={\displaystyle \lim_{dt\rightarrow 0}}\,\dfrac{2 h^2 QR}{SP^2\times QT^2}.

Rozwijając r(\phi+d\phi) w szereg Taylora do wyrazów kwadratowych w d\phi oraz obliczając z taką dokładnością ST i Q’T otrzymujemy

F=\dfrac{h^2}{r^2}\left(\dfrac{1}{r}+\dfrac{d^2}{d\phi^2}\dfrac{1}{r}\right).

W przypadku siły zależnej od odległości jak k/r^2 nawias musi być stałą niezależną od r, co oznacza, że

\dfrac{1}{r}=\cos\phi+\dfrac{k}{h^2}.

Jest to równanie stożkowej. Newton nie traktował tego w taki sposób, stosowanie algebry i symboli funkcji cosinus jest w tym kontekście anachronizmem, chodzi nam tu jednak o sens matematyczny operacji, a nie wierność historycznym formom zapisu.

Na koniec zauważmy, że ostatnie wyrażenie dla siły możemy porównać z wartością siły dośrodkowej. Otrzymamy w ten sposób wzór na krzywiznę krzywej we współrzędnych biegunowych

\varrho=\dfrac{1}{\sin^3\alpha}\left(\dfrac{1}{r}+\dfrac{d^2}{d\phi^2}\dfrac{1}{r}\right).

Otrzymał go Newton w latach siedemdziesiątych. Potem stopniowo oddalał się od zapisów algebraicznych, pisząc Matematyczne zasady nie stosował go wprost, ale z pewnością rozumiał sens geometryczny takich wyrażeń. Niestosowanie układów współrzędnych i rozbudowanej algebry było jego wyborem. We współczesnych podręcznikach pojawia się równanie toru zapisane przez drugą pochodną 1/r, zwykle nie zwraca się przy tym uwagi, że owe formalne manipulacje symbolami mają geometryczny sens krzywizny.

 

Grawitacja: Newton na ramionach Hooke’a? (1679-1680) (1/2)

„Jeśli dalej sięgnąłem wzrokiem, to dlatego że stałem na ramionach olbrzymów” – pisałem jakiś czas temu o debacie, w której Newton użył tego określenia. Chodziło tam o optykę i profesor z Cambridge wyraził się z pewną retoryczną przesadą. Jeśli miał naukowy dług wdzięczności wobec Roberta Hooke’a, to raczej w kwestii grawitacji. Prawo ciążenia było największym osiągnięciem Newtona i zapewne największym odkryciem w dziejach nauki, epoka nowożytna – nasza epoka – zaczęła się właśnie wtedy, na dobre i złe. Hooke głosił ideę grawitacji poruszającej planety przed Newtonem, choć nie potrafił przekuć jej w matematyczne dowody. Myśl, że może komuś coś zawdzięczać, a w dodatku tym kimś ma być kłótliwy i namolny Robert Hooke, doprowadzała Newtona do białej gorączki.

Umiejętność stawania na ramionach poprzedników stanowi główną siłę naszego gatunku. Metaforę takiej wertykalnej sztafety pokoleń napotykamy nie tylko w tekstach, ale i w sztuce, np. na witrażach katedry w Chartres.

Tutaj Ewangeliści stoją (boso, z iście ewangeliczną prostotą, nie jak dzisiejsi biskupi) na ramionach tych proroków starotestamentowych, którzy mieli ich zapowiadać zgodnie ze średniowieczną teologią (Ezechiel św. Jana, Daniel – św. Marka itd). Idea postępu, rozwijania się w czasie wywodzi się zresztą z chrześcijaństwa, choć jej głównym przykładem stały się od XVII wieku nauka i technologia. O postępie społecznym, moralnym, politycznym – we wszystkich obszarach, gdzie ujawnia się tzw. natura ludzka – lepiej zamilczeć. Mamy, niestety, więcej z szympansów zwyczajnych niż z bonobo. Czy samcza agresja jest jakoś sprzężona z twórczością intelektualną? Widzimy, że małpy potrafiące posługiwać się iphonem i twitterem mogą stać się tym bardziej niebezpieczne dla przyszłości naszego gatunku.

Jednym z przejawów walki o status osobnika alfa są w nauce spory o priorytet odkrycia. Zdaniem Roberta K. Mertona, klasyka socjologii, chodzi też o coś więcej. Naukowe uznanie, ranga uczonego, jest nagrodą za oryginalność badań, a ta nie może być podrabiana. Wszyscy stoją więc na ramionach kolegów, ale kłócąc się zawzięcie o rozmiary własnej postaci na witrażu.

Gresham College i narożnik, w którym mieszkał Robert Hooke (9), na dachu widać daszek jego obserwatorium (8), w którym zamontował nieruchomy zenitalny teleskop do obserwacji paralaksy rocznej. Twierdził, że ją wykrył, wiemy, że to nieprawda. Efekt był mniejszy, niż wtedy sądzono, wcześniej wykryto aberrację światła.

Profesor geometrii w Gresham College w Londynie, Robert Hooke był uczonym wybitnym, niezwykle wszechstronnym, zorientowanym zarówno w literaturze naukowej, jak i w praktycznych osiągnięciach rzemieślników budujących zegary, teleskopy, przyrządy miernicze czy nawigacyjne. Zajmował się budową pomp próżniowych, doświadczeniami z gazem, obserwacjami mikroskopowymi, astronomią (odkrył czerwoną plamę na Jowiszu i usiłował zmierzyć paralaksę gwiazdy γ Draconis), urządzeniami mechanicznymi, dokonał ważnych obserwacji biologicznych i paleontologicznych, zbudował wychwyt kotwicowy – ważny element zegara sprężynowego, miał oryginalną teorię umysłu, a także, co ważne dla nas w tej chwili, głosił pomysł siły przyciągającej między Słońcem i planetami. Wychwyt kotwicowy zbudował też Christiaan Huygens, prawo ciążenia powszechnego sformułował Newton, który potrafił też przedstawić jego liczne zastosowania. W obu przypadkach Hooke usiłował bronić swojego priorytetu, jednak na próżno. Dziś tylko prawo sprężystości upamiętnia tego uczonego, tak ważnego dla Towarzystwa Królewskiego i dla Londynu, to on bowiem obok sir Christophera Wrena był jednym z głównych budowniczych stolicy po wielkim pożarze z 1666 roku. Obserwatorium w Greenwich, sławny Bedlam – szpital dla obłąkanych i wiele innych budowli to jego dzieło. Pomagał też przy niełatwej konstrukcji wielkiej kopuły katedry św. Pawła. Nie zachował się żaden jego portret (niektórzy widzą w tym fakcie przejaw mściwości Newtona, który po śmierci Hooke’a przewodniczył Towarzystwu Królewskiemu), poniżej zamieszczamy coś w rodzaju portretu pamięciowego, sporządzonego zgodnie z opisami powierzchowności uczonego.

`Oba portrety autorstwa Rity Greer, 2006

Próba nawiązania korespondencji z Newtonem w roku 1675 okazała się nieudana i zakończyła się na jednym liście profesora z Cambridge, tym zawierającym metaforę następców stojących na ramionach wielkich poprzedników. Pod koniec 1679 roku Hooke napisał znowu, miał pretekst formalny: został sekretarzem Towarzystwa Królewskiego i do jego obowiązków należała korespondencja w imieniu Towarzystwa. Zapewniał, iż osobiście nie czuje żadnej wrogości i chciał  się dowiedzieć, co Newton sądzi m.in. na temat jego hipotezy, że ruchy planet można uważać za wypadkową ruchu prostoliniowego i ruchu pod wpływem przyciągania w kierunku ciała centralnego. List nie zawiera rysunku, ale hipoteza wyglądałaby mniej więcej tak.

Wiadomo było od czasów Galileusza i Torricellego, że idealną (bez oporu ośrodka) krzywą balistyczną można było uzyskać w podobny sposób.

Mogłoby się wydawać, że jesteśmy już bardzo blisko prawa ciążenia: należy „tylko” ustalić, jak siła ciężkości zależy od odległości od ciała centralnego, a potem skonstruować krzywą według narysowanego przepisu. Ściśle biorąc, należało uważać wektory za nieskończenie małe: planeta nieco się przesuwa wzdłuż stycznej i jednocześnie spada. Matematyka niezbędna do znalezienia krzywej to rachunek różniczkowy i całkowy, odkryty i rozwinięty przez Newtona jeszcze w latach sześćdziesiątych i na początku siedemdziesiątych. Prace te nie były publikowane, mało kto o nich wiedział, a z pewnością nikt nie rozumiał ich głębi i znaczenia. Hooke mógł coś słyszeć o matematycznym geniuszu Newtona, ale z pewnością nie znał szczegółów. Sam był wprawdzie profesorem geometrii, lecz oznaczało to matematykę elementarną potrzebną mierniczym i nawigatorom, którzy uczyli się w Gresham College. Hooke swoje pomysły przedstawił w druku kilka lat wcześniej w postaci trzech założeń.

Pierwsze, że wszystkie ciała niebieskie obdarzone są mocą przyciągającą albo grawitacyjną w kierunku swego centrum, za pomocą której przyciągają nie tylko swoje własne części, nie pozwalając im odlecieć, jak
to obserwujemy na Ziemi, ale że przyciągają także wszystkie inne ciała niebieskie, które znajdują się w obrębie ich sfery aktywności, tak że nie tylko Słońce i Księżyc mają wpływ na ciało i ruchy Ziemi, a Ziemia na nie,
ale także Merkury, Wenus, Mars, Jowisz, Saturn mają dzięki swym mocom przyciągającym istotny wpływ na jej ruch, podobnie jak odpowiednia moc przyciągająca Ziemi ma duży wpływ na każdy z ich ruchów.

Drugie założenie mówi, że wszystkie ciała wprawione w prosty i prostoliniowy ruch będą kontynuować taki ruch po linii prostej, dopóki nie zostaną przez jakieś działające moce odchylone i zmuszone do ruchu po okręgu, elipsie albo jakiejś innej złożonej linii krzywej.

Założenie trzecie mówi, że te moce przyciągające są tym potężniejsze w działaniu, im bliżej ich środka znajdzie się ciało, na które działają. [An Attempt to prove the Motion of the Earth from Observations, London 1674, s. 27-28.]

Zanim przedstawimy reakcję Newtona, zróbmy rzut oka wstecz. W roku 1619 Johannes Kepler podsumował swoje rozumienie ruchów planetarnych, ilustruje je rysunek z Epitome astronomiae Copernicane („Skrót astronomii kopernikańskiej” – w istocie była to astronomia Keplerowska, tylko nieruchomość Słońca wiązała ją z Kopernikiem). Kepler był jednak uczonym wyjątkowo skromnym i tak oryginalnym, że nie potrzebował walczyć o swój priorytet, bowiem współcześni niezbyt rozumiejąc, czego dokonał, niezbyt mu też zazdrościli.

Mamy tu ruch planety po elipsie wokół Słońca w jednym z jej ognisk. Mechanika nieba, która za tym stała, była następująca. Po pierwsze, każde ciało obdarzone było siłą inercji i pozostawione samo sobie zatrzymywało się po chwili. To dynamika przesuwania ciężkiej szafy: pchamy – szafa się przesuwa, przestajemy pchać – szafa staje w miejscu. Dzięki tej zasadzie bezwładności można się było nie obawiać, że planety pospadają na Słońce. Do wytworzenia ich ruchu obiegowego służyła Keplerowi specjalna moc obracająca, rodzaj pola siłowego, którego źródłem było obracające się wokół osi Słońce (Kepler pierwszy upatrywał w Słońcu źródło siły poruszającej planety, dla Kopernika Słońce było po prostu rodzajem lampy centralnie umieszczonej w machinie świata). Im dalej od Słońca znajduje się planeta, tym mniejszą ma prędkość. Drugie prawo Keplera można zapisać jako v_{\perp}\sim 1/r, gdzie v_{\perp} to składowa prędkości prostopadła do promienia wodzącego r. Dziś fakt ten nazywamy zasadą zachowania momentu pędu. U Keplera odpowiadała za to siła. Ponieważ jednak planety poruszają się po ekscentrycznych elipsach, na przemian zbliżając się i oddalając od Słońca, więc potrzebna była druga jeszcze siła: magnetyczna. Magnetyzm znany był z dzieła Williama Gilberta (De magnete, 1600), lekarza królowej Elżbiety I, a więc dynastycznie jakby wczoraj. Wyjaśnił on działanie kompasu, o którym przedtem wypisywano różne magiczne głupstwa. W tym celu zbadał zachowanie igły magnetycznej w pobliżu magnesu o kształcie kulistym, będącego niczym mała Ziemia, terrella.

Magnetyzm ograniczony był jego zdaniem do pewnej sfery działania: orbis virtutis na rysunku. U Keplera mamy osobliwy mechanizm magnetyczny: planeta jest rodzajem igły zachowującej stale tę samą orientację przestrzenną, Słońce natomiast jest magnesem, którego jeden biegun jest na powierzchni, drugi zaś ukryty w centrum. Oczywiście nie ma w przyrodzie takich magnesów, podobnie zachowywałby się monopol magnetyczny. Całość tej konstrukcji Keplera sprawia trochę wrażenie barokowego gabinetu osobliwości, gdzie nazbierało się wiele różnych dziwnych urządzeń czy eksponatów. Musimy jednak pamiętać, że nie było jeszcze żadnej matematycznej dynamiki, a Kepler starał się powiązać ten mechanizm z bardzo precyzyjnym matematycznym opisem ruchu planet (trzy prawa Keplera). Jego matematyka była znakomita, mechanika natomiast musiała zostać stworzona na nowo.

W XVII wieku mechanika ziemska i niebieska szybko stawała się nauką. A jak to określił antropolog Max Gluckman, „nauką jest każda dyscyplina, w której głupiec obecnego pokolenia może sięgnąć dalej niż geniusz pokolenia minionego” (Politics, Law, and Ritual in Tribal Society, s. 32; chodziło tam zresztą o kurtuazyjną, lecz zdecydowaną krytykę naszego rodaka Bronisława Malinowskiego). Hooke nie był bynajmniej głupcem, ale stał już na ramionach wielu uczonych: Kartezjusza, Huygensa i całej plejady pomniejszych twórców Rewolucji naukowej. Czym górowała hipoteza Hooke’a? Jej założenie drugie było doskonalszą formą zasady bezwładności: nie tylko spoczynek, ale i ruch jednostajny prostoliniowy nie wymagał podtrzymywania. Aby była to prawda, trzeba było przyjąć, że opór ośrodka wypełniającego kosmos jest zaniedbywalny. Zasada ta pochodziła zresztą od Kartezjusza, choć u niego opór eteru niweczył stale tendencję do prostoliniowego, bezwładnego ruchu. Potrzebna była też tylko jedna siła, skierowana ku Słońcu. Wzajemne przyciąganie komplikowało zarazem problem: gdybyśmy musieli, jak w założeniu pierwszym Hooke’a, uwzględniać przyciąganie wszystkich pozostałych planet, wyjaśnienie ruchów w Układzie Słonecznym musiałoby poczekać aż do drugiej połowy wieku dwudziestego i wynalezienia komputerów. Na szczęście można ruch ten przedstawić jako przyciąganie przez jedno ciało centralne plus niewielkie poprawki wynikające z przyciągania innych obiektów.

Hooke zaproponował więc radykalne uproszczenie pojęciowe problemu ruchu planet – najważniejszego zagadnienia nauk ścisłych od starożytności. Nie wszystko pochodziło tu od niego, raczej przekształcił on idee krążące w londyńskim powietrzu, w dyskusjach uczonych takich, jak Christopher Wren czy Edmond Halley. Ów świeży powiew z Londynu ożywił zastałe powietrze Cambridge i stał się ważnym impulsem dla Newtona, o czym opowiemy w następnej części.

Światło w cienkich warstwach: Newton na ramionach Hooke’a (1675)

Jedną z cech nowej nauki, tej, która powstała w XVII wieku w Europie i zmieniła bieg historii całego świata, jest uważność, drobiazgowa dbałość o szczegóły. Nie ma przedmiotów czy tematów nieistotnych, czy niewartych poznania. Postawa taka pojawiała się wprawdzie i wcześniej, Arystoteles na przykład badał zwierzęta morskie, nie kierując się ludzką estetyką czy przydatnością swych obserwacji do praktycznych celów. Dopiero jednak w XVII wieku obserwacje i eksperymenty stały się prawdziwą namiętnością. Organizacje takie, jak londyńskie Towarzystwo Królewskie, założono po to właśnie, by ułatwić rozpowszechnianie nieznanych dotąd szczegółów funkcjonowania przyrody. Nauka jest bowiem kumulowaniem wiedzy, ale także, i może przede wszystkim, wyjaśnień pozwalających ową wiedzę uporządkować w logiczną strukturę.

„Jeśli dalej sięgnąłem wzrokiem, to dlatego że stałem na ramionach olbrzymów” – napisał Isaac Newton do Roberta Hooke’a w Londynie 5 lutego 1676 roku. To słynne zdanie przytacza się często jako przykład uznania uczonego dla swoich poprzedników, ma ono wtedy rolę dydaktyczną: oto jak powinien postępować mąż uczony i niemałostkowy. Metafory tej używać miał już Bernard z Chartres, kierujący tamtejszą szkołą katedralną w XII wieku: „… jesteśmy niczym karły stające na ramionach gigantów, żeby widzieć więcej i dalej niż oni, nie dzięki bystrości własnego wzroku ani wielkiemu wzrostowi, lecz dlatego, że podnosi nas i wywyższa wielkość owych olbrzymów” [Jan z Salisbury, Metalogicon, f. 217r].

Dyskusja dotyczyła pewnych eksperymentów i hipotez, głównie dotyczących światła, które Newton przedstawił w formie listu do Towarzystwa Królewskiego. Robert Hooke, „kurator eksperymentów” Towarzystwa, starał się umniejszyć oryginalność pracy profesora z Cambridge, twierdząc że sam wykonywał wcześniej takie eksperymenty. Chodziło o tęczowe barwy cienkich przezroczystych warstewek, dziś najczęściej obserwowane, gdy olej rozlewa się po powierzchni kałuży.

Hooke zaobserwował takie barwy w warstewkach miki, używając mikroskopu własnej konstrukcji. Newton poszedł w badaniach barw cienkich warstewek znacznie dalej niż Hooke i chciał, aby zostało to docenione. Obaj uczeni mieli wyraźny rys paranoiczny, przy czym Hooke był paranoikiem ekstrawertycznym, zabieganym i znającym wszystkich w Londynie, stale skarżącym się, że inni odbierają mu pierwszeństwo jego prac, Newton natomiast był paranoikiem introwertycznym, cichym, małomównym, unikającym ludzi, długo jednak obracającym w głowie prawdziwe bądź urojone akty agresji wobec swoich dokonań. W stosunku do Hooke’a czuł daleko posuniętą rezerwę, przynajmniej od czasu gdy kurator Towarzystwa lekceważąco zbył Newtonowskie odkrycia dotyczące barw pryzmatycznych. Tamta publikacja zdobyła wprawdzie rozgłos, lecz profesor z Cambridge wyrzucał sobie, że goniąc za cieniem, dał się wciągnąć w liczne polemiki, z których niczego się nie nauczył, a które odebrały mu spokój ducha – jedyną rzecz prawdziwie cenną. Pamiętać musimy, że działalność naukowa nie należała do jego obowiązków, które były jedynie dydaktyczne, a na sławie niezbyt mu zależało (co w epoce mediów społecznościowych coraz trudniej nam pojąć). Hooke napisał do Newtona pojednawczy list, w którym komplementował młodszego kolegę i skarżył się na osoby siejące niezgodę (chodziło o Henry’ego Oldenburga, sekretarza Towarzystwa, który prowadził oficjalną korespondencję m.in. z Newtonem). Proponował nawiązanie bezpośredniej korespondencji na tematy „filozoficzne” – tzn. naukowe. Zdanie o olbrzymach znalazło się w odpowiedzi Newtona niejako na odczepne: odwzajemniał komplementy, lecz nie podjął propozycji. Isaac Newton nie miał chęci na dyskusje z bystrym, lecz asertywnym i niezbyt lojalnym partnerem, zresztą jego zainteresowania kierowały się w tym czasie raczej ku eksperymentom alchemicznym i dociekaniom teologicznym. Udało mu się uzyskać zwolnienie królewskie od obowiązku przyjęcia święceń. Z przyczyn formalnych, gdyż był profesorem katedry Lucasa. Prawdziwą przyczyną starań był konflikt sumienia. Uczony doszedł do zdecydowanego antytrynitaryzmu i nie chciał składać fałszywych przysiąg. I tak jego sytuacja teologiczna była delikatna: był przecież członkiem Trinity College: Kolegium św. i niepodzielnej Trójcy. Do tego antytrynitaryzm był jedną z herezji jawnie wymienionych w prawie i zagrożonych karą śmierci.

Wydana w 1665 r. książka Hooke’a, Micrographia, poświęcona była najrozmaitszym przejawom mikroskopowego świata: zawiera opisy i rysunki m.in. ostrza, komórek korka, liścia pokrzywy, oka muchy, pchły i wszy. Zmiana skali odkrywała  nowy poziom rzeczywistości, zadziwiający świat, o którego istnieniu nikt wcześniej nie miał pojęcia.

Liście pokrzywy

Pleśń na książce oprawionej w skórę jagnięcą

Pchła z Micrographii (National Library of Wales, Wikimedia )

Na czym polegał wkład Newtona w problem barw w cienkich warstwach? Jego też pasjonowało przyglądanie się różnym zjawiskom, ale nie wystarczały mu same obserwacje, szukał zawsze wyjaśnienia matematycznego. Jego sposób myślenia był formalny, precyzyjny i bardzo konsekwentny. Poprzednio, badając rozszczepienie światła w pryzmacie, przeprowadził dziesiątki eksperymentów, które wskazywały i potwierdzały, że ściśle biorąc współczynnik załamania światła jest różny dla różnych barw. W ten sposób, używając swego zaciemnionego pokoju jako camera obscura – kamery otworkowej, powinien otrzymać okrągły obraz dysku Słońca. Kiedy jednak na drodze promieni znajdzie się pryzmat, obraz staje się wydłużony, gdyż jest nałożeniem się okrągłych obrazów dla każdej barwy z osobna.

W przypadku cienkich warstw okazało się, że każda barwa ma charakterystyczną długość, określającą, co zobaczymy po odbiciu bądź przepuszczeniu światła. By kontrolować grubość warstwy, Newton zastosował płaskowypukłą soczewkę o długiej ogniskowej, a więc dużym promieniu krzywizny powierzchni sferycznej. Po zestawieniu jej z płaską płytką szklaną i oświetleniu światłem, otrzymujemy dwa dopełniające się systemy pierścieni w świetle odbitym i przepuszczonym. Mierząc promienie pierścieni, łatwo możemy obliczyć, jakim grubościom warstwy odpowiadają. Używając światła monochromatycznego – wydzielonego z rozszczepienia przez pryzmat, sprawiamy, że pierścienie stają się cieńsze i widać ich więcej.

Na obraz pierścieni w świetle przechodzącym nałożona jest skala z podziałką 100 μm (Warrencarpani) 

Plansza z Optics, Newtona (1704)

Newton ustalił za pomocą drobiazgowych pomiarów, jaki obraz otrzymamy w zależności od barwy światła, grubości warstwy, kąta biegu promieni światła oraz współczynnika załamania ośrodka stanowiącego przezroczystą warstwę. Stwierdził, np., że jasne prierścienie w świetle odbitym dla koloru „jasnocytrynowożółtego” leżącego na granicy pomiedzy barwą żółtą i pomarańczową w widmie Słońca odpowiadają grubościom warstwy danym wzorem:

h=(2k+1)\dfrac{1}{178000}\mbox{ cala, gdzie } k=0,1,2,\ldots.

Szczegółowe zależności ilościowe niezbyt ciekawiły Roberta Hooke’a, stanowiły jednak wyróżnik pracy Newtona, a za nim całej fizyki nowożytnej. Eksperymenty opisane tak, aby każdy mógł je powtórzyć, oraz dokładne staranne pomiary niektórym uczonym wydawały się wręcz istotą fizyki. W wieku XIX, gdy zbudowano dwie wielkie teorie: termodynamikę oraz elektrodynamikę wraz z optyką falową, wielu uczonych niechętnie patrzyło na rozważania teoretyczne, ceniąc je niżej niż porządny eksperyment. Kryło się za tym przekonanie, że wyniki eksperymentalne pozostaną słuszne zawsze, natomiast teorie mogą się zmieniać. Newton bardziej niż ktokolwiek pokazał, jak przekształcić naukę w maszynę zdobywania wiedzy opartą na matematycznych teoriach i ekspeymentalnych szczegółach. Pedanteria i wąski sposób myślenia stały się metodą: nie próbujemy na codzień wyjaśnić natury świata ani udzielić odpowiedzi na pytania ostateczne, lecz koncentrujemy się na tych szczegółach, które rozumiemy, najlepiej w sposób matematyczny. Sam Newton sądził, że wszystkie barwy przedmiotów mają pochodzenie interferencyjne, możemy więc z ich obserwacji wysnuć wnioski na temat struktury. Tak nie nie jest, choć pewne barwy w przyrodzie – np. błękitne skrzydła motyla Morpho są rzeczywiście interferencyjne.

Wyjaśnienie zjawisk interferencyjnych sprawiało Newtonowi trudność. Uważał bowiem światło za strumień cząstek, choć nie miał na to rozstrzygających dowodów. Dlatego w pracach takich, jak Optics, nie zajmował wyraźnego stanowiska, ograniczając się do tego, co pewne, tj. wyników doświadczeń. W okresie korespondencji z Hookiem Newton sądził, iż cząstka światła, padając na pierwszą powierzchnię, wzbudza falę eteru. Fala ta podróżuje szybciej niż światło i gdy cząstka światła dotrze do drugiej powierzchni, napotyka zgęszczenie bądź rozrzedzenie eteru i odbija się bądź przechodzi przez tę powierzchnię. Tak więc istniałyby swego rodzaju fale pilotujące, które decydują o losie cząstki. Zauważmy, że z punktu widzenia klasycznego trudno wyjaśnić, skąd cząstka światła „wie” o drugiej powierzchni. Cząstki kwantowe są swoistym połączeniem aspektu falowego i cząstkowego: amplituda fali określa prawdopodobieństwo, ale też wiemy, że zachowania kwantowe wciąz zaskakują fizyków.

Zobaczmy na koniec, jakie jest falowe wyjaśnienie pierścieni Newtona. Aby otrzymać interferencję konstruktywną (wzmocnienie fal odbitych od obu powierzchni warstwy), jej grubość musi spełniać warunek:

2h=(2k+1)\dfrac{\lambda}{2},

gdzie \lambda jest długością fali (różnica odległości to 2h, dodatkowe \frac{1}{2}\lambda bierze się ze zmian fazy przy odbiciu, koniecznej, aby dla h=0, czyli przy braku warstwy, odbicie nie następowało (oczywiście, wyjaśniają to równania Maxwella). Długość fali odpowiadająca Newtonowskiej barwie jasnocytrynowożółtej to \lambda=0,57\, \mu m – lampy sodowe popularne na ulicach dają światło o \lambda=0,589\,\mu m. Podobnie jest dla innych barw, Isaac Newton rzeczywiście był pedantycznie dokładny. I nawet tak mało istotne zjawisko jak barwy warstewek może prowadzić do ważnych odkryć.

Opiszemy jeszcze związek promienia pierścienia x i grubości warstwy. Z tw. Pitagorasa otrzymujemy

x^2=R^2-(R-h)^2=h(2R-h)\approx 2Rh.

Newton stosował tę samą matematykę do obliczenia przyspieszenia dośrodkowego, zob. Księżycowy test Isaaca Newtona.

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.

fcarc-february2009-descartes-medium-original

descartes3

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.

descartes1

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

\theta=4\beta-2\alpha.

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

descartes arc-en-ciel

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.

descartes2

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.

Full_featured_double_rainbow_at_Savonlinna_1000px

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.

Newton, Leibniz i liczba pi z szeregu Fouriera

Pisałem niedawno o szeregach odkrytych przez Leibniza i Newtona, a związanych z liczbą \pi. Oba te szeregi można łatwo powiązać ze sobą za pomocą rozwinięcia Fouriera. Kiedyś już pisałem o Josephie Fourierze i jego nieśmiertelnym wynalazku. Tutaj pokażemy tylko, jak to się wiąże z szeregami Leibniza:

\dfrac{\pi}{4}=1-\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{5}-\dfrac{1}{7}+\ldots

i Newtona:

\dfrac{\pi}{2\sqrt{2}}=1+\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}+\ldots.

Rozwinięcie w szereg Fouriera stosuje się do funkcji okresowych. Weźmy np. funkcję f(x)=x w przedziale x\in (-\pi,\pi).

Możemy zrobić z niej funkcję okresową powtarzając jedynie zęby piły na kolejnych przedziałach. Funkcja ta jest nieciągła na końcach przedziałów, ale to nie szkodzi. Idea Fouriera polega na przybliżeniu dowolnej funkcji f(x) nieskończoną sumą sinusów i cosinusów o coraz mniejszych okresach. W naszym przypadku okresem f(x) jest 2\pi, a funkcja jest nieparzysta, jak sinus. Szukamy więc rozwinięcia następującej postaci:

{\displaystyle f(x)=\sum_{i=1}^{\infty}a_{n}\sin nx}.

Żeby znaleźć wartości współczynników rozwinięcia, mnożymy obie strony przez \sin mx. Ponieważ całka po okresie z iloczynu dwóch sinusów znika, więc z prawej strony przeżywa tylko wyraz n=m (*):

{\displaystyle \int_{-\pi}^{\pi} f(x)\sin mx dx =a_m \int_{-\pi}^{\pi} \sin^2 mx dx=a_m \pi}.

Ostatnia równość po prawej stronie wynika stąd, że kwadrat sinusa scałkowany po wielokrotności okresów daje \frac{1}{2} razy długość przedziału całkowania.
W naszym przypadku

x=2\left(\dfrac{\sin x}{1}-\dfrac{\sin 2x}{2}+\dfrac{\sin 3x}{3}+\ldots\right),

gdzie cały czas ograniczamy się do przedziału (-\pi,\pi). Proszę zobaczyć, co otrzymamy, biorąc coraz większe liczby składników sumy.


Widać gołym okiem, że szereg jest zbieżny oprócz może końców przedziału, gdzie nasza funkcja ma skok.
Teraz wystarczy wziąć dwie wartości argumentu. Dla x=\frac{\pi}{2} otrzymamy szereg Leibniza, dla x=\frac{\pi}{4} – szereg Newtona. Warto zauważyć, że jesteśmy daleko od końców przedziału, gdzie mogą być kłopoty ze zbieżnością. Oczywiście Joseph Fourier to już XIX wiek, czyli matematyka bogatsza o 150 lat rozwoju od czasów Leibniza i Newtona. Najprostszy znany mi wykład o szeregach Fouriera znaleźć można w rozdz. 50 t.1 Wykładów Feynmana.

(*) Wynika to z tożsamości:

2\sin mx\sin nx=\cos(n-m)x-\cos(n+m)x.

Całka z cosinusa po okresie równa jest zero, więc tylko pierwszy wyraz po prawej stronie dla m=n przeżywa całkowanie.

Jakob Hermann pisze do Johanna Bernoulliego na temat ruchu planet, 12 lipca 1710 r.

Ulmenses sunt mathematici – mieszkańcy Ulm to matematycy – głosiło stare porzekadło. Znamy jednego matematyka z Ulm Johannesa Faulhabera, który miał kontakty z Keplerem i być może z Kartezjuszem. Słynna ogrzewana komora, w której rozmyślał francuski filozof pewnej jesieni, mieściła się w Neuburgu niezbyt oddalonym od Ulm. No i w Ulm urodził się Albert Einstein, lecz rodzina rok później się przeprowadziła i uczony jako człowiek dorosły nigdy potem nie odwiedził już swego miasta rodzinnego.

Prawdziwą kolebką matematyków była natomiast leżąca niezbyt daleko od Ulm Bazylea. Stąd pochodziła rozgałęziona rodzina Bernoullich, a także Leonhard Euler i Jakob Hermann. Protoplastą naukowego rodu był Jakob Bernoulli, to od niego uczyli się matematyki jego brat Johann oraz Jakob Hermann. Johann z kolei był ojcem wybitnego Daniela i nauczycielem genialnego Eulera. Ponieważ posad dla matematyków nie było w Europie wiele, więc wszyscy ci matematycy sporo podróżowali. Dzięki bazylejskim matematykom rachunek różniczkowy i całkowy Leibniza stał się podstawą nowożytnej matematyki.

Drugim wielkim zadaniem uczonych od końca XVII wieku stało się przyswojenie osiągnięć Isaaca Newtona. Matematyczne zasady filozofii przyrody zawierały rewolucyjną fizykę przedstawioną za pomocą indywidualnego języka matematycznego, stworzonego przez autora. Nie było w historii nauki traktatu tak oryginalnego zarówno pod względem treści fizycznej, jak i matematycznej. Toteż jego zrozumienie i opanowanie zajmowało całe lata nawet wybitnym uczonym. Na kontynencie panował matematyczny idiom Leibniza i twierdzenia Newtona tłumaczono niejako na tę zrozumiałą wśród uczonych symbolikę.

Jakob Hermann pierwszy podał różniczkowe sformułowanie II zasady dynamiki. Miało ono u niego postać

G=M dV: dT,

gdzie G,M oznaczały siłę i masę, a dV, dT – różniczki prędkości i czasu. Zapis ten pojawił się dopiero na 57 stronie jego traktatu Phoronomia (1716) i odnosił się do siły ciężkości zależnej od położenia. Oczywiście, Newton już w 1687 r. rozważał takie siły, ale wyłącznie w postaci geometrycznej. Jego II prawo brzmiało: „Zmiana ruchu jest proporcjonalna do przyłożonej siły poruszającej i następuje w kierunku prostej, wzdłuż której siła ta jest przyłożona.” Newton miał na myśli zmiany pędu ciała w pewnym krótkim czasie. Jednym problemem tego sformułowania była kwestia opisywania zmian w czasie, drugim problemem był wektorowy charakter siły: ilość ruchu, pęd, zmienia się w kierunku przyłożonej siły.

Pokażemy, jak Hermann rozwiązał problem ruchu ciała przyciąganego siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości od nieruchomego centrum. Zwolennicy Leibniza mieli zastrzeżenia do Newtonowskiego dowodu tego faktu, zbyt szkicowego. Pragnęli wyraźnego wykazania, że tylko stożkowe (albo część linii prostej) mogą być torem ciała. Opisywałem kiedyś rozwiązanie tego problemu podane w XIX wieku przez Williama Rowana Hamiltona.

Wyobrażamy sobie przyciągane przez centrum S ciało zakreślające krzywą CD. Jego ruch w nieskończenie krótkim czasie dt można przedstawić jako sumę wektorową ruchu bezwładnego od C do E oraz spadania od E do D wzdłuż kierunku siły w punkcie C, tzn. odcinki SC i DE są równoległe. Zmiana współrzędnej x w ruchu bezwładnym byłaby równa dx. Efekt działania siły przyciągającej to różniczka drugiego rzędu ddx (co później zapisywano d^{2}x). Oczywiście do ddx wchodzi tylko x-owa składowa siły.

Dziś narysowalibyśmy to tak, Hermann odnajduje trójkąty podobne na swoim rysunku i dochodzi do wniosku, że

ddx \propto F\dfrac{x}{r} dt^2.

Pole SCD zakreślane w czasie dt można przedstawić jako pole trójkąta o bokach [x,y] oraz [dx,dy], a więc jest ono równe połowie pola równoległoboku dt\propto y dx-x dy.
Ostatecznie różniczkę ddx możemy zapisać następująco (siła jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości):

-a ddx=\dfrac{x}{r^3}(y dx-x dy)^2,

gdzie a jest stałą proporcjonalności. Naszym zadaniem jest znalezienie równania krzywej.
Całką tego równania jest

a dx=\dfrac{y}{r}(ydx-xdy).

Dzieląc obustronnie przez x^2 i całkując ponownie, otrzymujemy

-\dfrac{a}{x}+c=-\dfrac{r}{x}\;\Rightarrow\; a-cx=r,

gdzie c jest stałą całkowania. Jest to równanie stożkowej (po obustronnym podniesieniu do kwadratu otrzymamy wielomian kwadratowy w zmiennych x,y).

Postępowanie Hermanna jest pomysłowe, choć całkowania są nieintuicyjne. Można jednak, jak zawsze, sprawdzić je, idąc od końca do początku, tzn. wykonując dwa kolejne różniczkowania. Tak naprawdę sztuka rozwiązywania równań różniczkowych jest często zamaskowanym odgadywaniem całek. Różniczkowania wynikają z reguły Leibniza dla iloczynu d(uv)=v du+u dv.
W naszym przypadku mamy np. dla drugiego równania

d\left(\dfrac{y}{r}\right)=\dfrac{rdy-ydr}{r^2}=\dfrac{r^2 dy-y rdr}{r^3}.

Pamiętając, że r^2=x^2+y^2, mamy rdr=xdx+ydy. Itd. itp. rachunki „od końca” są łatwe. W pierwszym całkowaniu przyjęliśmy stałą całkowania równą zeru, co nie zmniejsza ogólności wyniku, bo Hermann zakłada, iż oś Sx jest osią toru planety, tzn. przecięcie z osią x z lewej strony punktu S następuje w peryhelium albo aphelium, czyli przy y=0 powinno być dx=0.
Johann Bernoulli, który miał dość nieznośny charakter (nigdy nie dość wypominania mu, jak to konkurował ze swym synem Danielem) odpowiedział wybrzydzaniem na procedurę Hermanna i przedstawił swoją ogólniejszą, opartą na innym podejściu.

Z dzisiejszego punktu widzenia Hermann odkrył pewną całkę pierwszą problemu Keplera (tak się dziś nazywa problem ruchu wokół centrum przyciągającego jak 1/r^2). Całka pierwsza to wyrażenie, którego wartość nie zmienia się podczas ruchu. U Hermanna jest to

-\dfrac{dx}{dt}L_{z}-\dfrac{y}{r}=A_{y}=const.

W wyrażeniu tym L_z=xp_{y}-yp_{x}. Gdyby zająć się przyspieszeniem wzdłuż osi Sy, otrzymalibyśmy drugą całkę. Razem składają się one na wektor

\vec{A}=\vec{p}\times \vec{L}-\dfrac{\vec{r}}{r}.

Nazywa się go wektorem Rungego-Lenza, choć odkrył go właściwie Jakob Hermann. W pełni zdał sobie sprawę z faktu, że mamy trzy takie całki pierwsze, czyli w istocie wektor, Joseph Lagrange, a po nim Pierre Simon Laplace. Laplace przedyskutował też systematycznie wszystkie całki pierwsze problemu Keplera (trzy to moment pędu, trzy to nasz wektor, jedna to energia całkowita planety). Carl David Runge (ur. 1856) oraz Wilhelm Lenz (ur. 1888) pojawiają się w tej historii późno i w rolach dość przypadkowych. Pierwszy (znany z algorytmu Rungego-Kutty) użył tego wektora w swoim podręczniku analizy wektorowej, drugi zastosował go do pewnego problemu w starej teorii kwantów, przepisując go z podręcznika Rungego. Zupełnie niekosztowny sposób wejścia do historii. Wilhelm Lenz jest natomiast autorem tzw. modelu Isinga (Ernst Ising był jego doktorantem). Wektor odegrał pewną rolę w powstaniu mechaniki kwantowej. Stosując go, Wolfgang Pauli otrzymał wartości energii w atomie wodoru na podstawie formalizmu macierzowego Heisenberga. Chwilę później Erwin Schrödinger zrobił to samo w swoim formalizmie i wielu fizyków nie wiedziało, co o tym myśleć, bo na pierwszy rzut oka oba podejścia różniły się kompletnie.

Leibniz, Newton i liczba pi (1676)

W roku 1676 dobiegł końca czteroletni pobyt Gottfrieda Wilhelma Leibniza w Paryżu. Teologiczno-dyplomatyczne cele jego misji nie zostały osiągnięte, Leibniz zetknął się jednak w Paryżu z najnowszymi naukami ścisłymi, w szczególności zajął się bliżej matematyką. Były to najświetniejsze lata paryskiej działalności Christiaana Huygensa, którego traktat o zegarze wahadłowym wtedy właśnie ujrzał światło dzienne. Leibniz chłonął nowości i robił szybkie postępy. Już w roku 1673 udało mu się znaleźć słynne przedstawienie liczby pi za pomocą szeregu. Odkrycie to zrobiło spore wrażenie zarówno na paryskich uczonych, jak i na samym odkrywcy, zachęcając go do dalszej pracy w dziedzinie matematyki (w przypadku uczonego tak wszechstronnie uzdolnionego, jak Leibniz, wybór dziedziny nie był bynajmniej czymś oczywistym). Dwa lata później odkrył Leibniz rachunek różniczkowy i całkowy. Ale szereg stanowił wciąż jego powód do dumy. Toteż pochwalił się nim, pisząc w roku 1676 do Henry’ego Oldenburga, sekretarza londyńskiego Royal Society. Z pewnym niedowierzaniem dowiedział się, że „jego” szereg znany jest na Wyspach. Było to trochę tak, jakby ktoś wracając z Princeton z wynikiem, który wszystkich zachwycił, usłyszał, że w Rosji na prowincji dawno już o tym wiedzą.

Szereg to uogólnienie sumy na przypadek nieskończonej liczby wyrazów. Znanym przykładem jest szereg geometryczny. Np.

\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{4}+\dfrac{1}{8}+\ldots =1.

Co można zilustrować dzieleniem pola kwadratu jednostkowego na kolejne połowy.

Oczywiście, nie zawsze suma taka jest dobrze określona. Jednym z najprostszych nieoczywistych szeregów jest szereg harmoniczny, odwrotności kolejnych liczb naturalnych:

1+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{4}+\ldots

Można łatwo pokazać, że szereg ten jest rozbieżny, tzn. jego sumy częściowe przekraczają dowolną z góry zadaną liczbę – należy tylko zsumować odpowiednio wiele składników. Podobnie rozbieżny jest szereg odwrotności liczb nieparzystych (mimo że z poprzedniego szeregu wybraliśmy jedynie co drugi wyraz):

1+\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}+\ldots

Nawet gdy ograniczymy się jedynie do odwrotności liczb pierwszych, szereg pozostanie rozbieżny, ten ostatni fakt udowodnił Leonhard Euler.

Szereg Leibniza ma następującą postać:

\dfrac{\pi}{4}=1-\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{5}-\dfrac{1}{7}+\ldots

Jest on naprzemienny, tzn. znaki kolejnych wyrazów się przeplatają. Szereg taki na pewno jest zbieżny, jeśli tylko jego wyraz ogólny dąży do zera. Nie zawsze jednak łatwo jest znaleźć wartość takiej sumy. Leibnizowi udało się odkryć powiązanie z liczbą \pi, znaną z geometrii. Na pierwszy rzut oka nie ma żadnych powodów, aby taki szereg, zbudowany za pomocą prostej arytmetyki, doprowadzić miał do liczby \pi. Stąd wrażenie, jakie to odkrycie wywarło. Jak ujął to dwudziestowieczny matematyk K.H.D. Knopp: „Dzięki temu rozwinięciu opadła jakby zasłona spowijająca tę dziwną liczbę [\pi]”.

Za pośrednictwem Oldenburga Isaac Newton reprezentował wyspiarzy. Profesor z Cambridge (które było wtedy matematyczną pustynią) przesłał mu dwa obszerne listy z przeznaczeniem dla Leibniza. Newton znany był wtedy w Europie jedynie z prac optycznych. Był jednak, i może przede wszystkim, matematykiem, najwybitniejszym w tamtej epoce. Derek T. Whiteside poświęcił najlepsze lata życia na wydanie jego rękopisów matematycznych w ośmiu ogromnych tomach. Większość tego materiału z różnych powodów nie ukazała się drukiem za życia Newtona. W chwili gdy napisał Leibniz, Newton był – by tak rzec – w trakcie czwartego tomu swoich dzieł, dawno po odkryciu rachunku fluksji i fluent, czyli swojej wersji rachunku różniczkowego i całkowego (a jak zwykle u matematyków pierwsze tomy dzieł zebranych są najciekawsze). Obaj uczeni chwalili się wynikami, nie przedstawiając dowodów i tylko mgliście napomykając o rachunku. Tak się składa, że rozwinięcia w szereg stanowiły inny ulubiony temat Newtona. Odkrył np., że naprzemienny szereg harmoniczny związany jest z wartościami funkcji logarytmicznej:

\ln{2}=1-\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{4}+\ldots .

Przemawiała do niego elegancja samych rozwinięć, a także ich aspekt praktyczny: pozwalały one obliczać wartości różnych funkcji albo stałych matematycznych, takich jak \pi. Posługując się odkrytym przez siebie rozwinięciem w szereg funkcji logarytmicznej, młody Isaac Newton obliczył kiedyś dla zabawy wartość

\ln{1,1}=0,09531 01798 04324 86004 39521 23280 76509 22206 05365  30864 4199183.

Prócz ludycznego miało to też aspekt praktyczny. Tablice logarytmów stosowane były w geodezji, nawigacji, astronomii. Znając z dużą dokładnością jedną lub kilka wartości logarytmu, można zbudować tablice, już z mniejszą liczbą cyfr znaczących (ze względu na błędy zaokragleń). Newton znał oczywiście szereg Leibniza. Zrewanżował mu się innym szeregiem, łudząco podobnym:

\dfrac{\pi}{2\sqrt{2}}=1+\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{5}+\dfrac{1}{7}+\ldots.

Dokumenty Leibniza pokazują, że mimo wskazówki, jak można ten szereg otrzymać, sztuka ta nie udała się Leibnizowi.

Henry Oldenburg niedługo później zmarł i Newton stracił na długo kontakt z Royal Society i z szerszym światem. Zresztą w tamtych latach pochłaniała go raczej teologia niż matematyka. Żaden z nich nie opisał drugiemu rachunku różniczkowego i całkowego. Po latach obaj zaczęli podejrzewać tego drugiego o kradzież intelektualną. Był to objaw paranoi, o którą nietrudno było w sytuacji, gdy matematycy chętniej publikowali wyniki niż metody zastosowane do ich uzyskania.

Spójrzmy na koniec na szczegóły. Otóż Leibniz, czytając pewien artykuł Pascala, wpadł na pomysł, aby szukanie pola pod jedną krzywą przekształcić w szukanie pola pod inną krzywą. Nazwał to metodą transmutacji. Opierała się ona na następującej obserwacji.

Rysujemy styczną do krzywej w pewnym punkcie, przecina ona oś y w pewnym punkcie. Rozpatrujemy następnie krzywoliniowy „trójkąt” złożony z małego odcinka krzywej i dwóch boków równoległych do osi. Gdy ów „trójkąt” staje się coraz mniejszy, zbliża się do prawdziwego trójkąta. Możemy napisać proporcję

\dfrac{dx}{ds}=\dfrac{h}{y} \, \Rightarrow y dx=h ds.

Pola infinitezymalnego (=„nieskończenie małego”) trójkąta utworzonego z dwóch promieni wodzących (linie przerywane) i odcinka krzywej równe jest \frac{1}{2} h ds. Sumując takie pola, czyli całkując, możemy obliczyć pole skończonego wycinka krzywej. Korzystając zaś z powyższej proporcji pole to można zamienić polem pewnej innej krzywej y(x): \frac{1}{2}\int{h ds}=\frac{1}{2}\int{ y dx}. Wynik ten może się przydać, jeśli zamiana jednej krzywej drugą prowadzi do uproszczenia problemu. Leibniz zastosował swoją metodę do okręgu.

Leibniz chciał obliczyć pole ćwiartki koła (\frac{\pi}{4}, składającej się z wycinka kołowego i trójkąta. Pole wycinka znaleźć można obliczając pole pod krzywą y(x), która ma równanie zapisane na rysunku. Łatwiej jest obliczyć pole między osią y a krzywą:

Szczegóły rachunku znaleźć można tutaj. Ostatecznie otrzymujemy

\dfrac{\pi}{4}={\displaystyle \int_{0}^{1}\dfrac{dx}{1+x^2}}.

Ułamek po prawej stronie zastępujemy szeregiem geometrycznym:

\dfrac{1}{1+x^2}=1-x^2+x^4-x^6+\ldots

i całkujemy wyraz po wyrazie. Wynik Newtona uzyskuje się z całki

{\displaystyle \int_{-1}^{1}\dfrac{dx}{1+\sqrt{2} x+x^2}=\dfrac{\pi}{\sqrt{2}}=2\int_{0}^{1}\dfrac{1+x^2}{1+x^4}dx}.

Całkę po prawej stronie rozwijamy w szereg jw. Leibniz nie znał, jak się wydaje, rozkładu na czynniki

1+x^4=(1+\sqrt{2}x+x^2)(1-\sqrt{2}x+x^2).

Johann Bernoulli i krzywa łańcuchowa (1690)

Matematycy XVII wieku lubili badać rozmaite osobliwe krzywe i uwielbiali chełpić się swoimi umiejętnościami. Krzywe stożkowe: elipsa, parabola i hiperbola, czyli krzywe opisywane równaniami drugiego stopnia, już im nie wystarczały. Isaac Newton przeprowadził klasyfikację wszystkich krzywych trzeciego stopnia, co jest znacznie trudniejsze niż dla drugiego stopnia. Chętnie też zajmowali się krzywymi powstającymi wskutek ruchu (jak cykloida) albo jako rozwiązanie pewnego problemu z mechaniki. Jedną z takich krzywych była linia łańcuchowa, czyli kształt, jak przyjmuje giętki i ciężki łańcuch zawieszony na dwóch końcach.
Jeszcze w XVI wieku młody Galileusz starał się poznać kształt krzywej łańcuchowej, sądząc, że jest to ta sama krzywa, jaką zakreśla rzucone ciało. Prowadził wraz z Guidobaldem del Monte eksperymenty, aby porównać obie krzywe. Krzywą balistyczną rysowali puszczając kulkę zamoczoną w atramencie po równi pochyłej, jak na obrazku.

Okazało się, że krzywa balistyczna przypomina parabolę, lecz krzywa łańcuchowa różni się od niej znacząco. Jak wiemy, Galileuszowi udało się znaleźć mechaniczne wyjaśnienie dla krzywej balistycznej. Jednak kształtu krzywej łańcuchowej nie potrafił opisać matematycznie.
W 1690 roku Jacob Bernoulli, matematyk z Lozanny, rzucił na łamach „Acta Eruditorum” – pierwszego niemieckiego czasopisma naukowego, założonego z inicjatywy Leibniza – wyzwanie do innych matematyków, by opisali kształt krzywej łańcuchowej. Jeszcze w tym samym roku zagadnienie to rozwiązali Gottfried Wilhelm Leibniz, a także młodszy brat Jacoba, dwudziestoczteroletni Johann, kształcący się na medyka. Kilka lat wcześniej Leibniz w tym samym czasopiśmie ogłosił zarysy rachunku różniczkowego i całkowego. Bracia Bernoulli pilnie przestudiowali tę technikę formułowania i rozwiązywania problemów, obaj też wkrótce przewyższyli Leibniza, zwłaszcza Johann, który stał się szybko jednym z mistrzów rachunku różniczkowego i całkowego. Ambitny Johann nie został medykiem (podobnie jak niegdyś Galileusz). Niedługo później zrobił furorę w matematycznych kręgach Paryża. Jego wykłady częściowo opublikował pod swoim nazwiskiem markiz de L’Hôpital (któremu Johann sprzedał wyniki), druga ich część opublikowana została dopiero pół wieku później w t.3 Opera omnia Johanna.
Po roku „Acta Eruditorum” opublikowały wyniki Leibniza, Huygensa i Johanna Bernoulliego, lecz bez dowodów. Ówcześni matematycy niechętnie ujawniali metody, woleli raczej drażnić konkurentów swymi umiejętnościami.
Praca Christiaana Huygensa była niezadowalająca, stary mistrz nie znał nowych technik. Rozpatrywał łańcuch zbudowany z odcinków i próbował wykonać przejście graniczne do krzywej ciągłej, gdy długość każdego odcinka dąży do zera. Leibniz podał rozwiązanie w najprostszy sposób jako konstrukcję średniej arytmetycznej z dwóch krzywych wykładniczych („curva logarithmica”). Kilka lat później Leibniz opisał szczegółowo swoje rozwiązanie w liście do Huygensa. Nie było ono zbyt eleganckie, lecz ukazywało siłę metody postępowania, dzięki której nawet mało inteligentne podejście do problemu dawało się skutecznie przeforsować. Sam Jacob nie zdołał rozwiązać problemu i niezbyt mu się podobało, że dokonał tego jego młodszy brat.

Johann Bernoulli wyraził swoje rozwiązanie w postaci pola pod pewną krzywą, czyli całki. Przeanalizował też szczegółowo cały problem i rozwiązał go w sposób zdecydowanie elegantszy. Podał szereg twierdzeń, które przedstawione są na kolejnych rysunkach.

Punktem wyjścia jest zasada następująca: (Fig. 131) siły działające w dwóch dowolnych punktach A i C po różnych stronach minimum mają kierunek styczny do krzywej (łańcuch jest giętki) i muszą dodane wektorowo zrównoważyć ciężar łańcucha pomiędzy A i C. Środek ciężkości odcinka AC łańcucha znajdzie się dokładnie nad punktem D. Jeśli (Fig. 133) utniemy jakiś kawałek łańcucha, np. powyżej F, pozostała część nie zmieni kształtu. W szczególności (Fig. 132 i 135) możemy wybrać jako jedną z sił styczną w minimum, pozwala to szczególnie prosto sformułować warunek, jaki musi spełniać nasza krzywa. Fig. 136 daje konstrukcję Leibniza, równoważną Fig. 137 konstrukcję Johanna.
Podstawowa własność krzywej łańcuchowej daje się odczytać ze współczesnej wersji Fig. 132.

Aby utrzymać w równowadze odcinek łańcucha o długości s i ciężarze \varrho s potrzebna jest równa temu ciężarowi składowa pionowa siły (fioletowa). Składowe poziome (czerwone) równoważą się nawzajem, co oznacza, że składowa pozioma jest niezależna od wysokości. Możemy więc zapisać dla naszej krzywej

\dfrac{dy}{dx}=\mbox{tg }\alpha = s.

Nachylenie stycznej proporcjonalne jest do odległości od minimum. Bez zmniejszenia ogólności możemy przyjąć, że stała proporcjonalności równa jest 1 – możemy to zawsze osiągnąć wybierając odpowiednio jednostkę długości. Reszta jest zastosowaniem cudownej metody Leibniza (*), która szybko prowadzi do wyniku:

y(x)=\cosh x\equiv \dfrac{e^x+e^{-x}}{2}.

Obecnie sumę taką jak w kształcie krzywej łańcuchowej zapisujemy jako cosinus hiperboliczny: algebra funkcji hiperbolicznych jest podobna do trygonometrycznych, z tą istotną różnicą, że jedynka trygonometryczna zastąpiona jest wyrażeniem \cosh^2 x-\sinh^2 x=1 i pochodna cosinusa hiperbolicznego jest równa sinusowi hiperbolicznemu (bez minusa).
Krzywa łańcuchowa różni się od paraboli tym bardziej, im dalej od minimum się znajdziemy.

(*) Oznaczmy pochodną szukanej funkcji przez u. Różniczkując obie strony równania krzywej łańcuchowej, otrzymujemy

\dfrac{du}{dx}=\dfrac{ds}{dx}=\dfrac{\sqrt{dy^2+dx^2}}{dx}=\sqrt{u^2+1}.

Stąd

{\displaystyle \int {\dfrac{du}{\sqrt{u^2+1}}}=\int dx=x+A,}

Całkę możemy obliczyć korzystając z jedynki hiperbolicznej: \cosh^2 z=\sinh^2 z+1. Podstawiając u=\sinh z, mamy du=\cosh z dz i po lewej stronie zostaje całka z 1:

z=x+A.

Możemy wziąć sinh z obu stron, otrzymamy wówczas

\sinh z=u=\dfrac{dy}{dx}=\sinh (x+A).

Całkując ostatnią równość, otrzymujemy y=\cosh x. Stałe całkowania powinny być równe 0, jeśli chcemy mieć wykres taki, jak na obrazkach powyżej.

Newton na plaży, Einstein w bibliotece

Einstein miał w swoim gabinecie w Berlinie trzy portrety: Newtona, Faradaya i Maxwella. Była to, rzec można, historia fizyki w trzech portretach: ojca założyciela nowożytnej fizyki i dwóch uczonych, eksperymentatora i teoretyka, odpowiedzialnych za koncepcję pola elektromagnetycznego. Einstein zbudował na tej podstawie teorię pola grawitacyjnego jako krzywizny czasoprzestrzeni, a resztę życia poświęcił głównie na nieudane próby matematycznego ujednolicenia Maxwellowskiego elektromagnetyzmu z grawitacją – miała to być słynna Einheitliche Feldtheorie: jednolita teoria pola.

Nic dziwnego, że z perspektywy wieków pracę Newtona postrzegał Einstein jako swego rodzaju raj dzieciństwa. Pisał o nim:

Szczęśliwy Newton, szczęśliwe dzieciństwo nauki! Ten, kto znajdzie czas i spokój ducha, by przeczytać tę książkę [Optics], przeżyje jeszcze raz cudowne zdarzenia, których wielki Newton doświadczył w swych młodych latach. Natura była dla niego niczym otwarta księga, której litery odczytywał bez trudności. Koncepcje, których używał, by zredukować materię egzystencji do uporządkowanego ładu, zdawały się samorzutnie wypływać z samego doświadczenia, z pięknych eksperymentów, które ułożył po kolei jak zabawki i opisał z czułą dbałością o szczegóły. W jednej osobie złączył się tu eksperymentator, teoretyk, mechanik, a także, co nie najmniej ważne, artysta w sposobie wykładu.

Niewykluczone, że Einstein natrafił gdzieś na słynny cytat z Newtona:

Nie wiem, kim się wydaję dla świata, ale sam sobie wydawałem się jedynie chłopcem igrającym na brzegu morza, który zabawia się, znajdując od czasu do czasu gładszy kamyk albo muszlę ładniejszą od innych, podczas gdy wielki ocean prawdy leżał nieodkryty przede mną.

Ten obraz dziecka na plaży zupełnie nie pasuje do innych wypowiedzi Newtona. Nie mamy nawet pewności, czy uczony widział  kiedykolwiek morze. Jako dziecko żył od morza daleko, a potem mieszkając w Londynie, niewiele się poruszał i nigdy bez określonego celu. Zabawa na plaży nie mogła się więc odnosić do jego własnych wspomnień, jako stary kawaler nie brał też udziału w życiu wielopokoleniowej rodziny. Wypowiedź tę, pochodzącą ponoć z ostatnich lat życia uczonego, przekazał Andrew Michael Ramsey, który jednak przebywał w tym czasie we Francji, a do Anglii wrócił trzy lata po śmierci Newtona. Mógł ją oczywiście od kogoś usłyszeć i zapisać jako uderzającą, legenda Newtona była już wtedy bardzo żywa, więc z pewnością zwracano uwagę na wszystko, co mogło od niego pochodzić. Nie ma jednak żadnego innego źródła, które by przekazało taką bądź zbliżoną wypowiedź uczonego.

Nie sądzę też, aby Newton skłonny był porównywać swoją pracę do dziecinnej zabawy. Dla nas zabawa taka jest uczeniem się świata, przejawem kreatywności, którą dorośli często tracą z wiekiem, skłonni jesteśmy widzieć w dzieciństwie utracony raj. Inaczej w czasach Newtona, gdy starano się z dzieci uczynić miniaturowych dorosłych i do zachowania dzieci przykładano miary moralne i religijne dorosłego życia. Dzieciństwo służyło właściwie temu, by jak najszybciej z niego wyrosnąć, stając się świadomym i odpowiedzialnym członkiem wspólnoty społecznej i religijnej. Newton był człowiekiem surowo religijnym, purytaninem, który niechętnie patrzył na wszelkie marnowanie czasu i wszystko robił zawsze w jakimś „poważnym” celu. Porównanie do dziecięcej zabawy odbierałoby jego pracy naukowej znaczenie. Podobny obraz dziecka na plaży pojawia się u Johna Miltona, purytańskiego poety, w poemacie Raj odzyskany. Szatan jest w nim umysłem zgłębiającym książkowe mądrości i przeciwstawiony jest mu Jezus, który posiadł tę madrość, która jest najważniejsza. Jezus mówi tam do Szatana m.in.

Kto czyta nieustannie a w swoje czytania
Nie wprowadza rownego lub wyższego zdania
I nie ma DUCHA błądzi kto zaś z DUCHEM czyta
Nie potrzebuje Greka mieć za Erudyta
Słuchacz Pogańskich Nauk bez pomocy DUCHA
Musi grążnąć w ciemnościach choć Doktorów słucha
Niepewny zawsze traci prac swoich pożytki
Głęboko biegły w książkach a sam w sobie płytki
Dowcip otruty jadem lub niedowarzony
Co fraszki lub świecidła zbiera z każdey strony
Warte gębki on je ma za godne Krytyki
Jak dziecko zbierające na piaskach krzemyki.

[przeł. Jacek Przybylski, Kraków 1792]

Książkowe mądrości warte są gąbki – tzn. dziś byśmy powiedzieli warte są wciśnięcia klawisza Delete (na tabliczkach do pisania stosowano gąbkę do ścierania treści, stąd tabula rasa – czysta tabliczka u Johna Locke’a, współczesnego Newtonowi). Nie wiemy, czy Newton czytał Miltona, mógł go przeglądać z powodu bliskości religijnej, choć wiemy, że uczony za poezją nie przepadał, a może lepiej powiedzieć: nie miał do poezji słuchu i wyobraźni. Isaac Newton nie lubił metafor, starał się przekształcić symbole w jakieś konkrety, jak u czytanych przez siebie alchemików. Użycie takiego miltonowskiego porównania byłoby oznaką dystansu starego uczonego wobec zajęć swej młodości i wieku średniego, psychologicznie wydaje się jednak niewiarygodne.

Swe zajęcia traktował Newton raczej jako obcowanie ze Stwórcą niż igraszkę. W tym punkcie spotykał się z Einsteinem, którego stosunek do religii instytucjonalnych był niezbyt przychylny, choć nie uważał się także za ateistę. W roku 1929 na pytanie „Czy wierzy pan w Boga?” odpowiedział:

Nie jestem w każdym razie ateistą. Ale to kwestia nie na nasz ograniczony rozum. Jesteśmy w sytuacji małego dziecka, które znalazło się w olbrzymiej bibliotece wypełnionej książkami w wielu językach. Dziecko wie, że ktoś je musiał napisać. Ale nie wie, jak, i nie zna języków, w których zostały spisane. Przeczuwa, że wszystkie te tomy ustawiono w jakimś porządku, ale nie ma pojęcia, w jakim. Taka też jest moim zdaniem sytuacja nawet najinteligentniejszych ludzi w obliczu Boga. Widzimy cudownie urządzony wszechświat, działający wedle pewnych zasad – tyle że bardzo słabo rozumiemy te zasady. (przeł. J. Skowroński)

Także ten obraz dziecka w niezrozumiałej bibliotece pochodzi tylko z jednego niezbyt wiarygodnego źródła. Jest nim występujący w roli dziennikarza George Sylvester Viereck, który przeprowadził wywiady z wieloma sławnymi ludźmi, np. z Freudem i Hitlerem. Viereck [„Czworokąt”] – nazwisko jak najbardziej odpowiednie dla kogoś, kto rozmawia z odkrywcą geometrycznej natury grawitacji, był nieślubnym wnukiem cesarza Wilhelma II i choć wychowywał się w Stanach Zjednoczonych czuł zawsze słabość do niemieckiego militaryzmu, co zaowocowało nawet kilkuletnią odsiadką w amerykańskim więzieniu.

 

 

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)