Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyceTekst

0
Recenzje
Oznacz jako przeczytane
Czcionka:Mniejsze АаWiększe Aa

2.6. KOMENTARZ: O rzekomych anomaliach i o tym, że bywają one bezpłodne

Jeśli opiszemy całą tę historię z punktu widzenia filozofii nauki Kuhna, to stwierdzimy, że m-falowa teoria światła stała, od czasu swego powstania, w obliczu trzech poważnych anomalii. Próbowano je wyjaśnić za pomocą rozmaitych hipotez ad hoc. Wszystkie te hipotezy miały poważne wady, a nikt nie był w stanie ich usunąć. Należałoby zatem oczekiwać, że część badaczy popadła w stan kryzysu. Tymczasem nic takiego nie miało miejsca. Stokes, jeden z bohaterów powyższej opowieści, doskonale zdawał sobie sprawę z trudności, a jednak – ćwierć wieku po ich pojawieniu się – pisał:

Falowa teoria światła wyjaśnia jednak tak prosto i pięknie najbardziej skomplikowane zjawiska, że w sposób naturalny uważamy aberrację za zjawisko, którego ona nie wyjaśnia, ale które nie jest z nią niezgodne (Stokes 1845).

W języku Kuhna jest to rada, by odłożyć anomalie do wyjaśnienia w nieokreślonej przyszłości. Po czym minęło jeszcze czterdzieści lat, z anomaliami się nie uporano – a oznak Kuhnowskiego kryzysu wciąż nie było.

Kuhn mógłby postaw ówczesnych uczonych, niestosujących się do jego ustaleń, bronić: m-falowa teoria światła przez kilkadziesiąt lat dostarczała fizykom łamigłówek, wraz z sugestiami, jak je rozwiązywać – i w zdecydowanej większości przypadków znajdowano udane zastosowania. Skoro teoria stwarzała liczne okazje do sukcesów, to stosowano ją jako podstawę zarówno badań eksperymentalnych, jak i dociekań teoretycznych w odniesieniu do pewnych zjawisk, ignorując przy tym to, że gdzie indziej natrafiała na trudności. Co pewien czas ktoś proponował hipotezę ad hoc, która miała jakąś trudność usunąć, a nikt wówczas nie wiedział i wiedzieć nie mógł, czy zadowalające rozwiązania zostaną znalezione.

Jeśli odwołać się do historycznych mitów, typowych dla podręczników i prac popularyzatorskich (zob. § 3), to przełom miał nastąpić po ogłoszeniu wyników eksperymentu Michelsona i Morleya z 1887. Wszystkie znane mi podręcznikowe opowieści przemilczają ich eksperyment z 1886, jeśli jednak uwzględnić wyniki obu eksperymentów i umieścić je w historycznym kontekście, to zapanowała wtedy sytuacja patowa: wynik pierwszego potwierdził hipotezę Fresnela, wynik drugiego potwierdził niezgodną z nią hipotezę Stokesa. A jak zareagował na to sam Michelson? Otóż brakiem przesunięcia prążków interferencyjnych w eksperymencie z 1887 specjalnie się nie przejął: badań na ten temat nie kontynuował, a uzyskanych wyników nie potraktował jako anomalii podważających podstawy fizyki klasycznej. Kilkanaście lat później pisał:

Wszystkie ważniejsze fundamentalne prawa i fakty z zakresu nauk fizycznych zostały odkryte, a są one tak mocno ustalone, że możliwość, by w wyniku nowych odkryć zostały wyparte, jest niezwykle odległa. Niemniej jednak stwierdzono, że istnieją wyraźne wyjątki od większości tych praw, a jest tak w szczególności wtedy, gdy obserwacje sięgają granic, tj. ilekroć sytuacje eksperymentalne pozwalają badać przypadki ekstremalne. Takie badania prawie na pewno prowadzą nie do obalenia prawa, ale do odkrycia innych faktów i praw, których działanie wytwarza pozorne wyjątki (Michelson 1903: 23).

Inni też nie obwieszczali końca fizyki klasycznej. Nadal próbowano wyjaśnić wyniki wspomnianych powyżej eksperymentów w ramach obrazu świata mechaniki newtonowskiej, zwykle nawiązując do hipotezy Stokesa. W 1898 Planck w liście do Lorentza spekulował, że eter jest ściśliwy i wskutek działania sił grawitacyjnych ulega przy powierzchni Ziemi kondensacji. Theodor Des Coudres i Wilhelm Wien ok. 1900 twierdzili, że ilość eteru, jaką poruszające się ciało unosi ze sobą, jest proporcjonalna do jego masy. Inni przez wiele lat powtarzali eksperyment Michelsona-Morleya z 1887, rozmaicie go modyfikując – i czasem ogłaszali, że dostrzegli przesunięcie prążków interferencyjnych. Tych badań omawiać tu nie będę, tym bardziej że coraz częściej do akcji wkraczali pseudonaukowcy.

W 1900 podczas odczytu w Royal Institution William Thomson mówił o dwóch chmurach wiszących w ostatniej ćwierci XIX wieku nad teorią dynamiczną, według której ciepło i światło są pewnego rodzaju ruchami.

Pierwsza powstała wraz z falową teorią światła, a borykali się z nią Fresnel i dr Thomas Young; wiązała się z pytaniem, w jaki sposób Ziemia mogłaby poruszać się przez elastyczne ciało stałe, jakim zasadniczo jest eter świetlny (W. Thomson 1901, § 1).

Ale w tym tekście brak wzmianek o trzech grupach „anomalii” omawianych w tym rozdziale.

Choć powyżej użyłem, z uwagi na Kuhnowską tradycję, terminu „anomalia”, nie będę tego czynił poniżej. Jest on mylący, a pojawia się jedynie w historii nauki tworzonej wstecz – gdyby znaleziono klasyczne wyjaśnienia wspomnianych zjawisk, nikt nie nazywałby ich potem anomaliami. Ponieważ ok. 1900 nikt nie wiedział, czy problemy związane z aberracją gwiezdną, poprzecznością fal świetlnych i brakiem wpływu ruchu Ziemi na przebieg szeregu zjawisk optycznych znajdą klasyczne rozwiązanie czy nie, to nikt nie wiedział też, czy ma do czynienia z „anomaliami”, czy z „wielkimi odkryciami”.

Równie mylące bywa użycie określenia „hipoteza ad hoc”. Popper, Hempel, Kuhn, Lakatos i inni rozumieją przez nie twierdzenia formułowane tylko po to, by ratować teorię w taki czy inny sposób zagrożoną przez wyniki eksperymentów. Nigdy dokładnie tego terminu nie zdefiniowano, nie podano kryteriów pozwalających odróżnić hipotezy ad hoc od tych, które takimi nie są (zob. Hempel 1966, § 3). Powstaje pytanie, czy użycie tego terminu pozwala trafnie opisać to, co robią naukowcy. Gdy Popper pisał w cytowanym już tekście, że praca naukowca polega na wymyślaniu i sprawdzaniu teorii, a empiryści logiczni wyróżniali kontekst uzasadniania jako tę część pracy naukowców, która decyduje o naukowym charakterze całego przedsięwzięcia, to zdawali się sądzić, że faktycznie dużą część czasu zajmuje naukowcom weryfikowanie, potwierdzanie czy falsyfikowanie sformułowanych wcześniej hipotez. A przecież jeśli zajrzymy do wybranych losowo artykułów naukowych, to stwierdzimy, że bardzo niewiele z nich zawiera coś, co – zgodnie z wyobrażeniami filozofów nauki – da się określić jako procedury sprawdzania hipotez lub teorii. Prawie wszystkie artykuły naukowe zawierają wyniki badań eksperymentalnych lub dociekań teoretycznych, których celem jest wzbogacenie naszej wiedzy. Gdy Bradley odkrył aberrację gwiezdną, to nie sprawdził w ten sposób hipotezy, że Ziemia krąży wokół Słońca, ale na podstawie wyników obserwacji i już posiadanej wiedzy, m.in. o ruchu Ziemi wokół Słońca, obliczył prędkość światła. Badania nad interferencją światła nie służyły sprawdzeniu teorii falowej, ale na podstawie teorii falowej i wyników tych badań ustalono, jakie są – nieznane wcześniej – długości fal świetlnych. I tak dalej.

Kluczowe dla zrozumienia postaw XIX-wiecznych badaczy jest to, że dla teorii m-falowej nie było w tamtym czasie alternatywy. A przede wszystkim nie było, co jeszcze ważniejsze, alternatywy dla mechaniki klasycznej. To mechanika kształtowała sposoby, w jakie ówcześni fizycy spostrzegali zjawiska i o zjawiskach myśleli. Była programem wiodącym ich do badań i badania te ukierunkowującym – a nie czymś, co można kwestionować. Co więcej, zaangażowani w badania nad światłem naukowcy nie zdawali sobie sprawy z wpływu, jaki na ich postrzeganie i myślenie wywierała mechanika klasyczna.

Wszystkie hipotezy, które miały wyjaśnić nieistnienie świetlnych fal podłużnych, aberrację gwiezdną i brak wpływu ruchu Ziemi na przebieg zjawisk optycznych na jej powierzchni, należały – mimo dziwaczności niektórych – do obrazu świata mechaniki klasycznej. To prawa mechaniki podpowiadały np., że fale podłużne nie będą powstawać przy takich a takich własnościach sprężystych eteru. Fresnel, Cauchy i MacCullagh nie tyle wymyślali – w irracjonalnym wzlocie wyobraźni – swoje hipotezy, ile wybierali tę czy inną z możliwości dopuszczalnych przez prawa mechaniki. (Można powiedzieć, że odpowiadali oni na pytanie generowane przez ówczesną wiedzę w sensie logiki pytań Andrzeja Wiśniewskiego (1995)).

Prawie wszyscy fizycy są dziś bardzo mocno przekonani, że klasyczne wyjaśnienia omówionych powyżej „anomalii” nie istnieją. Źródłem tego przekonania nie jest to, że od blisko dwóch stuleci takowe nie zostały znalezione (choć pseudonaukowcy nadal zalewają rynek idei propozycjami wyjaśnienia eksperymentu Michelsona-Morleya z 1887 przy użyciu praw mechaniki Newtona), ale to, że uzyskano ich w pełni zadowalające wyjaśnienia w ramach innego programu badawczego, niezgodnego z mechaniką klasyczną. Jak przekonująco wykazał kiedyś Paul Feyerabend (1963), do „falsyfikacji” teorii dochodzi nie wtedy, gdy wyniki eksperymentów zaprzeczają wynikającym z niej przewidywaniom, ale gdy te wyniki zostają wyjaśnione w ramach teorii konkurencyjnej, z tamtą niezgodnej. (Feyerabend twierdzi w związku z tym, że postępowi wiedzy służy mnożenie alternatywnych teorii, co z kolei jest zupełnie obce ujęciu prezentowanemu w tej książce).

Powstaje pytanie, jak mogło dojść do sformułowania tego konkurencyjnego programu, mimo że mechanika klasyczna wywierała bezwzględną presję na myślenie naukowców przełomu XIX i XX w. Jak można pomyśleć coś, czego pomyśleć się nie daje? Odpowiem na to tak – co stanie się jasne w miarę postępu rozważań – że nowe możliwości myślowe muszą, w pewnym ważnym sensie, pojawić się poza umysłami zaangażowanych w badania jednostek. Przekonamy się zaraz, że tych idei, które umożliwiły sformułowanie szczególnej teorii względności, nikt nie stworzył świadomie, w (irracjonalnym?) wzlocie intuicji twórczej. System fizyki, wypracowany wspólnotowo, nie dojrzał jeszcze do rozwiązania problemu – a zatem wyobraźnia poszczególnych badaczy była bezsilna. Nowe możliwości myślowe, o czym się wkrótce przekonamy, pojawiły się w sposób niezamierzony i zupełnie nieoczekiwany. Stało się to zaś w trakcie badań nad zjawiskami, których początkowo w ogóle nie kojarzono ze światłem. Prowadzono te badania równolegle z tymi, o jakich opowiedziano powyżej. O jakie badania chodzi, wyjaśnia tytuł artykułu, w którym Albert Einstein ogłaszał podstawy szczególnej teorii względności: „O elektrodynamice ciał w ruchu”. Przyjrzyjmy się więc historii powstania elektrodynamiki, znów zaczynając od pierwszych lat XIX w.

 

Rozdział 3
NARODZINY ELEKTRODYNAMIKI MAXWELLA I ELEKTROMAGNETYCZNEJ TEORII ŚWIATŁA

3.1. Odkrycie magnetycznych własności prądów

W trakcie badań eksperymentalnych prowadzonych do pierwszych lat XIX w. wciąż stwierdzano, że między ciałami naelektryzowanymi a znajdującymi się w ich sąsiedztwie magnesami siły nie działają. Wprawdzie żeglarze donosili, że igły kompasów czasem ulegają przebiegunowaniu, gdy w pobliżu uderza piorun, zauważono też, że po uderzeniu pioruna niektóre przedmioty z żelaza wykazują własności magnetyczne – ale uderzenie pioruna to zjawisko przypadkowe i chwilowe, nie sposób więc było poddać wspomnianych efektów systematycznym badaniom. Franklin magnetyzował stalowe igły, rozładowując przez nie butelki lejdejskie, ale wyrażał przekonanie, że elektryczność i magnetyzm nie mają ze sobą nic wspólnego. (Nie mylił się, jak dziś uważamy, co do tego, że gwałtowny przepływ prądu przez igłę sam przez się jej nie magnetyzuje).

Sytuacja zmieniła się, gdy w 1800 Alessandro Volta, zainspirowany badaniami Luigiego Galvaniego, zbudował pierwsze stosy. Umożliwiło to badania nad stałymi prądami elektrycznymi, a te szybko zaowocowały ważnymi odkryciami. Już w tym samym roku William Nicholson i Anthony Carlisle dokonali elektrolizy wody. W tym miejscu szczególnie interesujące jest to, że w 1801 Nicholas Gautherot, a nieco później Laplace i Biot zauważyli, iż dwa równoległe i umieszczone blisko jeden drugiego przewody, połączone z biegunami stosu Volty, przywierają do siebie. Jednak te obserwacje zostały zlekceważone zarówno przez „odkrywców”, jak i przez czytelników komunikatu Gautherota. W 1819 Biot, kończąc obszerny artykuł o magnetyzmie dla Edinburgh Encyclopedia, stwierdzał, że choć zachodzą analogie między prawami dla sił elektrycznych i magnetycznych, to

[…] niezależność, jaka zachodzi między działaniami [magnetycznymi] a działaniami elektrycznymi, nie pozwala nam przypuścić, że mają one tę samą naturę co elektryczność (Biot 1819).

Inni jednak szukali jakiegoś związku między elektrycznością i magnetyzmem. W 1805 Jean-Nicholas Hachette i Charles-Bernard Désormes umieścili stos Volty na pływaku w zbiorniku z wodą, by dowiedzieć się, czy ustawi się on jakoś w stosunku do magnetycznego południka Ziemi – niczego jednak nie zaobserwowali.

Wreszcie w 1820 ukazał się artykuł o działaniu „konfliktu” elektrycznego na magnesy. Jego autor, Hans Ørsted, z pierwszego wykształcenia farmaceuta, uzyskał w 1799 doktorat na podstawie pracy z metafizyki przyrody Kanta. Filozoficznie przekonany, że w przyrodzie wszystko wiąże się ze wszystkim, a pozornie rozbieżne zjawiska są przejawami ukrytej, jednoczącej je zasady, przez wiele lat poszukiwał eksperymentalnie ukrytych związków między różnego typu zjawiskami. We Francji i Niemczech słuchał wykładów z fizyki i chemii, a w Berlinie m.in. z dynamicznej Naturphilosophie Schellinga. Zaprzyjaźnił się wtedy ze wspomnianym już Ritterem, poszukiwaczem ukrytej za przeciwieństwami jedności bytu. Ritter twierdził m.in., że jest w stanie wytworzyć elektrolizę za pomocą samych magnesów, bez użycia stosu Volty, i że zaobserwował oddziaływanie między stosem Volty, z którego nie płynął prąd, a magnesem. Ørsted początkowo te „odkrycia” potwierdzał (po latach pisał jednak, że Rittera zwiodły przypadkowe zbiegi okoliczności). Wkrótce po przedwczesnej śmierci przyjaciela Ørsted opublikował pracę Ansichten der chemischen Naturgesetze (1812), pełną niejasnych spekulacji na temat ukrytych związków między elektrycznością, ciepłem, światłem, magnetyzmem i reakcjami chemicznymi. Eksperymentalnie starał się, bez skutku, znaleźć te związki przez następne osiem lat.

Wreszcie spróbował odtworzyć w laboratorium wspomnianą sytuację relacjonowaną przez żeglarzy. Piorun zastąpił cienkim drutem z platyny rozżarzonym przez przepływ prądu. Gdy zbliżył do niego igłę magnetyczną, zaobserwował pewien efekt, ale tak słaby, że obawiając się popełnienia błędu, zawiesił prace na trzy miesiące. Gdy użył silniejszej baterii i grubszego drutu, wyraźnie zaobserwował – choć drut tym razem nie świecił – że igła odchyla się w jedną stronę, gdy znajduje się pod biegnącym poziomo przewodnikiem, a w drugą, gdy znajduje się nad nim (cały czas na igłę działał też magnetyzm ziemski). Odchylenie rosło w miarę zbliżania igły do przewodnika i zwiększania mocy baterii. Nienależący do ezoterycznego kręgu fizyków klasycznych uczony nie używał terminu „siła”, niemniej w trakcie dalszych systematycznych badań stwierdził m.in., że działanie nie zależy od tego, z jakiego metalu wykonany jest drut, a „konflikt” nie działa na igły z materiałów niemagnetycznych. Wyniki innej serii eksperymentów świadczyły o tym, że działanie nie ma natury elektrycznej:

Wpływ łączącego drutu przenika do igły przez szkło, metale, drewno, wodę, żywicę, kamionkę, kamienie […]. Rzecz jasna transmisji efektów przez wszystkie te materie nigdy wcześniej nie obserwowano w dziedzinie elektryczności i galwanizmu (Ørsted 1820).

Pod koniec artykułu znajdujemy produkt gry wyobraźni podsumowujący uzyskane wyniki:

Wszystkie wyżej wymienione oddziaływania na biegun północny można łatwo zrozumieć, zakładając, że ujemna elektryczność porusza się po linii spiralnej wygiętej w prawo i popycha biegun północny, ale nie działa na biegun południowy. Wpływ na biegun południowy wyjaśnimy w podobny sposób, jeśli przypiszemy elektryczności dodatniej przeciwny ruch i zdolność działania na biegun południowy, ale nie na północny (Ørsted 1820).

Tekst kończy próba rozciągnięcia odkrytego związku na zjawiska cieplne i optyczne:

Dodam tylko do powyższego, że wykazałem w książce opublikowanej pięć lat temu, iż ciepło i światło polegają na konflikcie elektryczności. Z podanych obecnie obserwacji możemy wywnioskować, że w tych efektach występuje również ruch kołowy (Ørsted 1820).

Pobudzeni doniesieniem Ørsteda badacze jeszcze w tym samym roku dokonali szeregu odkryć. Będąc fizykami, nieznającymi Naturphilosophie, a doskonale obeznanymi z mechaniką klasyczną, badali oni siły działające między prądami i magnesami. Końcowe fragmenty artykułu Ørsteda ignorowali, natomiast wcześniejsze partie przetłumaczyli na język mechaniki klasycznej. Wymagało to zmierzenia, od czego i w jaki sposób zależą siły między prądami a biegunami magnesów.

Do badań błyskawicznie – wbrew cytowanej opinii z 1819 – włączył się Biot. Wraz z Félixem Savartem mierzyli okresy drgań igły magnetycznej umieszczonej w różnych odległościach od prostoliniowego przewodnika łączącego przeciwne bieguny stosu Volty. W niektórych seriach pomiarowych wpływ magnetyzmu ziemskiego był kompensowany przez odpowiednio umieszczony magnes stały.

Za pomocą tych procedur panowie Biot i Savart doszli do następującego wyniku, który rygorystycznie przedstawia działanie cząsteczki południowego lub północnego magnetyzmu umieszczonego w pewnej odległości od cienkiego i nieograniczenie [długiego] cylindrycznego drutu, który prąd galwaniczny uczynił magnetycznym. Jeśli wykreślimy prostopadłą do osi drutu od punktu, w którym znajduje się cząsteczka magnetyczna, to siła działająca na cząsteczkę będzie prostopadła do tej linii i do osi drutu. Jej natężenie jest odwrotnie proporcjonalne do odległości (Biot & Savart 1820).

Podobnie jak w przypadku odkryć Coulomba, prawo Biota-Savarta zostało dedukcyjnie wywnioskowane z praw mechaniki klasycznej, twierdzeń na temat układu eksperymentalnego pochodzących z innych udanych zastosowań mechaniki i z wyników eksperymentów wspomnianych przed chwilą.

Z prawa Biota-Savarta kolejny wniosek wyprowadził Laplace: mały element prądu wywiera na biegun magnesu siłę odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości.

3.2. KOMENTARZ: O wpływie poglądów nienaukowych na rozwój nauki

Ritter odkrył promienie, zwane dziś nadfioletowymi, inspirowany romantyczną Naturphilosophie (zob. § 2.1). Ta filozofia ukierunkowała też badania Ørsteda, które doprowadziły do odkrycia oddziaływań między prądami elektrycznymi a magnesami. Poniżej będzie wzmianka o wpływie parapsychologii na badania Crookesa – i dokonanych przez niego odkryciach (zob. § 6.2). Rodzi to pytanie o rolę poglądów nienaukowych, np. filozoficznych i religijnych, na rozwój nauki, a w szczególności na przeobrażenia zwane rewolucyjnymi.

Kuhn (1962, rozdz. VIII) twierdzi, że nauka normalna zazwyczaj trzyma się z dala od filozofii, natomiast naukowcy, którzy udręczeni kryzysem prowadzą badania nadzwyczajne, dość często uciekają się do analiz i poglądów filozoficznych. Wymienione przed chwilą odkrycia nie zostały jednak dokonane w Kuhnowskich sytuacjach kryzysowych. Z kolei żaden z bohaterów rozdziału I – a to oni pracowali w dziedzinie, w której uporczywych i ważnych „anomalii” było w bród – nie uciekał się do refleksji filozoficznych. Wygląda na to, że Kuhn się mylił. Ale tak czy inaczej, z uwagi na centralny temat tej książki, należy się zastanowić, czy źródłem teoretycznych nowości skutkujących rewolucjami naukowymi nie bywają poglądy czerpane spoza nauki.

Należy najpierw podkreślić, że choć Ritter i Ørsted byli do pewnego stopnia – z uwagi na Schellingowskie inspiracje – outsiderami, to nie zupełnymi. Przyswoili sobie niemałą porcję oficjalnej – podzielanej przez zdecydowaną większość uczonych pierwszych lat XIX w. – fizyki. Mało tego, korzystali ze standardowych w ich czasach przyrządów laboratoryjnych, co silnie wiązało ich z większością. A wreszcie, ich odkrycia weszły do naukowego obrazu świata wtedy, gdy grupa zasadnicza uczonych wyraziła je w języku fizyki klasycznej – i zamieniła promienie chemiczne Rittera na promienie nadfioletowe, a moce wywierane na magnes przez konflikt elektryczny Ørsteda na siły między prądami i magnesami.

Do pytania o wpływ koncepcji filozoficznych na myślenie naukowców, dokonujących rewolucji naukowej, wrócimy w § 4.22.